Vědecká spolupráce s Tchaj-wanem

V roce 2007 byl podepsán dodatek k Memorandu o spolupráci mezi Akademií věd ČR a National Science Council (Tchaj-wan), který z iniciativy tchajwanské strany zavedl institut tzv. PPP projektů – Project Based Personnel Exchange (viz AB 4/2012). V jejich rámci se od roku 2008 realizují mezi pracovišti AV ČR a pracovišti výzkumu a vývoje na Tchaj-wanu mnohé mobilitní projekty, které zahrnují všechny vědní oblasti od fyzikálních věd přes chemii, entomologii až po sociologii. Tentokrát představujeme dva projekty z let 2011–2012.

Foto: Milan Hrabovský, Archiv autora
Plazmový reaktor PlasGas

Modelování proudu termického plazmatu

Cílem projektu, na němž spolupracují Ústav fyziky plazmatu AV ČR a National Taiwan University of Science and Technology, je rozvinout modelování proudu termického plazmatu v podmínkách charakteristických pro plazmové technologie využívající plazmové generátory s obloukovým výbojem.
V ÚFP badatelé studují unikátní zdroj termického plazmatu se stabilizací oblouku vodním vírem, v němž se vytváří proud plazmatu s extrémními rychlostmi, hustotami energie a teplotami. Generované plazma se používá pro vytváření speciálních povlaků materiálů plazmovými nástřiky a pro zplynování odpadů a konverzi organických látek na hodnotný syntetický plyn. Optimalizace jednotlivých technologií je založena na teoretickém popisu proudění plazmatu a chemických procesů při interakci proudu s jinými látkami. Skupina NTUST Taipei se specializuje na modelování proudících médií a popis nerovnovážných procesů v proudícím plazmatu a na modelování chemické kinetiky procesů v plazmatu; v ÚFP se řeší problémy výpočtu termodynamických a transportních vlastností plazmatu a produktů reakce plazmatu s dalšími látkami. Vzájemné spolupráce obou pracovišť umožní formulovat komplexní model procesů v proudu plazmatu při plazmových technologiích. Modely se formulují pro podmínky v experimentálním plazmovém reaktoru PlasGas s vodou stabilizovaným plazmatronem instalovaným v ÚFP. Modely využívají vstupní data získaná experimenty v reaktoru; výsledky měření slouží rovněž k ověření výsledků teoretických výpočtů. Ve spolupráci s tchajwanskou institucí se též rozvíjejí metody diagnostiky proudu plazmatu a procesů v plazmovém reaktoru. Pro další léta připravujeme rozšířenou kooperaci, která zahrne i další tchajwanské pracoviště – Institute of Nuclear Research, v němž je instalován plazmový reaktor pro zplynování látek využívající jako zdroj plazmatu plynem stabilizovaný plazmatron s parametry více než o řád odlišnými od plazmatu generovaného systémem instalovaným v ÚFP. Srovnáním výsledků experimentů i teoretickými analýzami procesů na základě společně formulovaných modelů v těchto dvou plazmových systémech získáme teoretické i experimentální podklady pro další rozvoj pokročilých plazmových technologií.

Pokročilé procesy pro zplyňování, čištění plynu a produkci vodíku

Na projektu spolupracuje Ústav chemických procesů AV ČR s tchajwanským Ústavem pro výzkum v oblasti využití jaderné energie (Institute of Nuclear Energy Research – INER).
Vzhledem k útlumu jaderného programu a stavbě dalších jaderných elektráren na Tchaj-wanu je ústav ve stadiu přechodu k výzkumu jiných zdrojů energie: fosilních paliv, obnovitelných zdrojů energie a výzkumu nových, vysoce účinných technologií k výrobě elektrické energie, jako jsou například palivové články. Specificky tchajwanským problémem je hledání náhrady za dovážený a relativně drahý zemní plyn (ve zkapalněném stavu jej přepravují lodě). Tyto faktory nutí INER hledat partnery pro spolupráci v těchto – pro něj nových – oblastech výzkumu a vývoje.
Na základě již dřívějších osobních kontaktů a dlouhodobého pracovního pobytu Ing. Jiřího Šmída (bývalého pracovníka ÚCHP) v INER a jeho práci na rozvoji využití sesuvných loží partikulárních materiálů pro čištění plynů (hlavně odprášení spalin a odpadních plynů), vzniklo již v roce 2010 pracovní schéma spolupráce v rámci možného dvouletého PPP projektu (2011 a 2012), který byl také později schválen.
Důležitými součástmi plánu navrhovaného projektu byly následující úkoly:
1. Navrhnout a vyvinout pokročilé zplyňovací technologie založené na zplyňování ve fluidní vrstvě. V rámci tohoto úkolu jsme předpokládali optimalizaci provozních podmínek a konstrukce reaktoru pro zplyňování ve fluidní vrstvě; dále možnosti společného zplyňování uhlí s biomasou a odpady, dopady spoluzplyňování a dávkování paliv včetně paliv v suspenzní podobě.
2. Vyvinout filtrační technologie pro spaliny a palivové plyny založené na využití klesající (pomalu se sunoucí) vrstvy pevných částic a hledat optimální konstrukce, rozdělení plynu, zabránění zkratům a vhodný způsob regenerace vrstvy částic obalených prachem.
3. Využít pokročilé procesy a materiály pro technologie výroby vodíku založené na chemických cyklech (chemical looping). Úmyslem bylo posoudit vhodné materiály na bázi kovů a jejich oxidů pro oxidačně-redukční procesy, které by mohly vyrábět relativně čistý vodík – například pro využití v palivových článcích.
4. Procesy pro středně a vysokoteplotní čištění palivového a syntézního plynu a nové procesy pro separaci plynných složek. Zde se předpokládalo využití zkušeností ÚCHP v oblasti aplikací prereformingového katalyzátoru na bázi niklu za teplot pod 550 °C, posouzení nových technologií pro suché čištění plynů (odstranění HCl a sloučenin síry) za středních a vyš­ších teplot a možnosti pro separaci CO₂ jak za vyšších teplot (regenerační sorbenty), tak pomocí aplikace membrán s iontovými kapalinami. Uvedené procesy se měly posuzovat s ohledem na možnost využití syntéz­ního plynu pro napájení vysokoteplotních palivových článků, pro katalytické procesy výroby kapalných paliv a náhrady zemního plynu (výrobu methanu).

V rámci projektu se každý rok uskutečnily dva pobyty pracovníků (dvakrát 12 dnů) z INER v ÚCHP a opačně. Vědci se během nich seznámili se situací ve výzkumu v daných oblastech v širším měřítku (vysoké školy a výzkumné ústavy na Tchaj-wanu a v ČR), aby měli přehled o přístupu a metodách řešení důležitých výzkumných oblastí spojených s pokročilou energetikou a transformací tuhých paliv.

Foto: Karel Svoboda, Archiv autora
Prohlídka laboratoří ve Výzkumném ústavu pro nukleární energii (INER), Jiaan Village Longtan Township, Taoyuan County, Tchaj-wan; na snímku vedle Karla Svobody z ÚCHP AV ČR (uprostřed) Jiří Šmíd, který byl v INER na dlouhodobém pracovním pobytu jako expert pro technologie sypkých hmot a jejich aplikace pro čištění plynů.

V rámci dvoustranného PPP projektu se uskutečnily:
1. Výměna zkušeností (fluidní zplyňování, zplyňování v sesuvné vrstvě, hořákové zplyňování), výroba syntetického plynu pro výrobu kapalných paliv a syntetického zemního plynu (methanu).
2. Suché čištění plynu: odstraňování prachu vysoko­teplotními filtry a bariérovými filtry jak v nehybném, tak v pohyblivém (sesuvném) uspořádání. Odstraňování HCl a sloučenin síry za středních a vysokých teplot. Byl jasně identifikován problém čištění – organické sloučeniny síry a jejich dokonalé odstranění.
3. Podklady pro návrh a stavbu 100kilowattového fluidního zplyňovacího zařízení. Na přání INER poskytl ÚCHP znalosti, zkušenosti a částečně technické podklady pro využití k návrhu fluidního zplyňovacího zařízení: zvláštnosti chování paliv (uhlí, biomasa, odpady).
4. Možnosti bezproblémového dávkování paliv.
5. Společně bylo navrženo a tchajwanskou stranou vyrobeno zařízení o výkonu 100 kWt, zkoušely se i vhodné metody dávkování pro paliva různých vlastností a velikostí částic (uhlí, biomasa); testoval se též několikasekční externí elektrický ohřev zplyňovacího reaktoru a přechod k tepelné samonosnosti.
6. Robustní konstrukce reaktoru umožní provoz až do tlaku okolo 1 MPa a provozní podmínky od bublající (stacionární) fluidní vrstvy až po v podstatě cirkulující vrstvu. Pro odstranění prachu se používá cyklon; uvažuje se o využití pomalu se sunoucí vrstvy písku (křižný tok a regenerace lože) za vyšších teplot.
7. Na základě vybraných společných zájmů a popsání důležitých problémů vyžadujících další výzkum jsme společně formulovali bilaterální projekt Čištění plynu z fluidního zplyňování uhlí s biomasou pro využití v pokročilých technologiích, který byl podán 17. dubna 2013 – GA ČR a NSC Tchaj-wan. Jde v něm především o čištění palivového plynu z fluidního zplyňování na úroveň, která umožní napájení vysokoteplotních palivových článků. Podstatné je hluboké odstraňování HCl, H₂S, COS a organických sloučenin síry na úrovně pod 1 ppm (obj). Studovaný rozsah teplot pro čištění plynu bude asi 350–600 °C. V rámci dvoustranného projektu se uvažuje o studování vlivu vodních par, CO₂ na sorpci HCl pomocí vybraných sodných sorbentů a interferencí ze strany sirných sloučenin a naopak interference a degradace H2S sorbentů na bázi ZnO a Ce_xO_y způsobené přítomností nízkých koncentrací HCl a eventuálně reziduí dehtových sloučenin. Výzkumný projekt se plánuje na tři roky (2014–2016).

DAN DVOŘÁK,
Kancelář Akademie věd ČR,
MILAN HRABOVSKÝ,
Ústav fyziky plazmatu AV ČR, v. v. i.,
KAREL SVOBODA,
Ústav chemických procesů AV ČR, v. v. i.