Energia konwencjonalna

Węglapol

Daria Kaczmarek

Natalia Karpińska

Hanna waraczyńska

Wstęp

Niemal w każdym europejskim i nie tylko europejskim kraju stosuje się do produkcji energii elektrycznej jak także dla pozyskania ciepła-węgiel. Stosowane są również inne paliwa typu gaz i ropa, ale to właśnie węgiel jest łatwo dostępny a ceny na rynku są konkurencyjne. Największy udział węgla do produkcji energii i ciepła ma miejsce w Polsce (94%), w Grecji (60%), Niemczech (50%) i Anglii (30%). Tak, więc widać jak ogromne znaczenie ma wykorzystywanie węgla i pozyskiwanie z niego energia i ciepło.

Zakres działalności WĘGLAPOL

Firma WĘGLAPOL jest spółką z ograniczoną odpowiedzialnością. Nasza firma jest stosunkowo młoda i działa samodzielnie od 1997 roku. Jest jedną z nielicznych firm zajmujących się wprowadzeniem na rynek Polski nowoczesnych technologii spalania węgla. Rozwój przedsiębiorstwa wspiera Unia Europejska zapewniająca dofinansowania. Kadra firmy składa się z wykwalifikowanego i wykształconego personelu. Do głównych działań firmy należą:

-dobór odpowiednich instalacji dla osób prywatnych jak również dla większych elektrowni, ciepłowni lub elektrociepłowni,

-udzielenie szczegółowych informacji na temat nowoczesnych technologii spalania węgla

-instalacji urządzeń do wytwarzania energii.

Celem naszej firmy jest nie tylko chęć rzetelnej współpracy, ale także przekonanie Państwa, że spalanie węgla nie musi obciążać środowiska dużą emisja zanieczyszczeń.

Aby przybliżyć państwu problematykę tyczącą się z nowoczesnymi technologiami spalania węgla, chcę wyjaśnić, czym jest energetyka konwencjonalna.

              Energetyka konwencjonalna wykorzystuje energie chemiczną zawartą w paliwach naturalnych do produkcji energii cieplnej (kotłownie, ciepłownie) lub energii elektrycznej i cieplnej (elektrociepłownie). Ten ostatni sposób jednoczesnej produkcji energii elektrycznej i cieplnej, pozwalający stosować tzw. Gospodarkę skojarzeniową, jest ona wówczas ekonomiczna.

              Paliwami stosowanymi w energetyce konwencjonalnej mogą być paliwa stałe (węgiel kamienny, węgiel brunatny, torf), paliwa płynne(ropa naftowa, lkki olej opałowy, olej Diesla, benzyna i inne), paliwa gazowe (gaz ziemny), i paliwa nuklearne (uran 235).

              Mimo rosnącego udziału ropy naftowej i gazu ziemnego, węgiel stanowi w zużyciu paliw dalej przeważającą pozycję w krajowym bilansie energii pierwotnej

Według ocen światowych węgiel będzie w najbliższych kilkudziesięciu latach jedynym najważniejszych źródeł energii pierwotnej wykorzystywanej przez ludzkość. Wynika to z następujących przesłanek:

- udział węgla w całkowitym światowym zużyciu energii pierwotnej od wielu lat wynosi 27%

-zasoby węgla znajdują się praktycznie we wszystkich regionach świata dzięki temu zapewniona jest konkurencja i stabilność cen węgla

-zasoby węgla są znacznie większe i wynoszą ok. 250 lat

- udoskonaliły się także tzw. „czyste” technologie spalania węgla, co spowodowało wzrost zainteresowania elektrowniami węglowymi.

              Warto przytoczyć dane z 2005 roku odnośnie emisji pochodzącej wyłącznie z użytkowania węgla: świat - 11 mld 357 mln ton dwutlenku węgla, Europa - 1 mld 356 mln ton dwutlenku węgla, w tym Niemcy - 318 mln ton i Polska - 198 mln ton.

Całkowita światowa emisja wynosiła w 2005 roku około 27 do 28 mld ton/rok, oznacza to, że za około 40% globalnej emisji dwutlenku węgla, natomiast użytkowanie ropy naftowej i gazu łącznie 60% emisji CO2.

Biorąc pod uwagę duży udział węgla w produkcji energii zarówno w Europie, jak i w Polsce, nierealne są jakiekolwiek postulaty całkowitej rezygnacji z produkcji energii z węgla w okresie najbliższych 20-40 lat.

              Dlaczego węgiel...? Odpowiedź jest bardzo prosta – węgiel jest na dzień dzisiejszy najtańszym nośnikiem energii cieplnej. Zasoby węgla kamiennego w Polsce szacowane są na ok. 200 lat, natomiast gazu na 40 lat a ropy naftowej tylko na 30 lat. Dlatego wybór jest prosty.

Węgiel kamienny jest naszym, polskim bogactwem narodowym natomiast pozostałe nośniki musimy sprowadzać z zagranicy.

Budowa kotłów w przemyśle węglowym.

        Przedstawimy teraz Państwu ogólną charakterystykę konstrukcji kotłów, ponieważ charakteryzują się dużą różnorodnością.
Zbudowane są z paleniska. Jest to ta część kotła, w której występuje spalanie paliwa. Proces spalania jest realizowany w komorze paleniskowej. Paliwo może być spalane na ruszcie lub przed palnikiem w płomieniu uzyskanym przy spalaniu pyłu paliwa stałego, albo paliwa ciekłego lub gazowego.
              Ruszt jest konstrukcją podtrzymującą warstwę węgla oraz umożliwiającą przepływ powietrza przez tą warstwę w sposób zamierzony. Ruszt może być nieruchomy lub ruchomy. Na ruszt nieruchomy węgiel może być narzucany ręcznie lub mechanicznie.
 

Najbardziej rozpowszechnione w starych kotłach węglowych były paleniska z rusztem stały, nowsze z rusztem mechanicznym, a najnowsze kotły fluidyzacyjne. Spalanie paliw stałych jest zjawiskiem dość złożonym. Zjawiska zachodzące na ruszcie stałym paleniska są zasadnicze.

              Powietrze dostaje się do paleniska poprzez popielnik i umieszczony nad nim ruszt.

Wskutek dużego dopływu powietrza węgiel spala się na dwutlenek węgla. Jest to tzw. strefa

utleniania węgla. Wydzielone ciepło powoduje bardzo duży wzrost temperatury. W wyższej

warstwie wobec braku tlenu zachodzi reakcja redukcji CO2 do tlenku węgla. W tej strefie

temperatura obniży się w wyniku pochłaniania ciepła. Wytworzone gorące gazy (głównie, CO i azot) unoszą się i ogrzewają następne warstwy paliwa. Węgiel traci lotne składniki

(węglowodory); następuje tu suszenie paliwa. Ostatecznie znad warstwy paliwa uchodzą gazy, zawierające azot, tlenek węgla, węglowodory i parę wodą. W celu spalenia zawartych w tych gazach palnych składników, dopuszcza się tzw. Powietrze wtórne. Ważnym elementem jest dostarczenie ilości tlenu oraz odpowiednia temperatura. Dla zmniejszenia start cieplnych dopływ powietrza pod ruszt należałoby dostosować do jego zapotrzebowania.
Palenisko z rusztem mechanicznym (taśmowym) charakteryzuje się dostarczaniem węgla w sposób ciągły na ruchomy ruszt obrotowy. W początkowej fazie utleniania wydziela się również, CO, a w fazie końcowej-tylko, CO2. Zatem taki układ jest mniej emisyjny w stosunku do poprzedniego.

              Także znajdują się urządzenia do wytwarzania ciągu, które mają za zadanie dostarczenie do paleniska powietrze, usunięcie spalin (kominy, wentylatory).
Urządzenia do doprowadzania paliwa do paleniska (zasobniki węgla, rurociągi pyłu i powietrza) oraz urządzenia do odprowadzania popiołu i żużla.
Inne dodatkowe urządzenia to: przegrzewacz pary, podgrzewacz wody i powietrza (dotyczą spalin w kotłach parowych), stalowa konstrukcja nośna (szkielet kotła), urządzenia kontrolno-pomiarowe, regulacyjne i sterujące.
              Ze względu na przeznaczenie rozróżnia się: kotły energetyczne (elektrownie i elektrociepłownie), przemysłowe, grzewcze (c.o.), Parowe i wodne.
 

Elektrownie nowej generacji

              Sektor energii elektrycznej jest integralną częścią gospodarki każdego kraju. Oddziałuje na poziom życia społeczeństwa i stopień dewastacji przyrody. Obecnie zużycie pierwotnych nośników energii w świecie wynosi 17 mld ton/rok paliwa umownego i ulegnie podwojeniu do 2050 roku.

              Konieczne są nowe technologie energetyczne, spełniające wymagania „czystych technologii węglowych” i gwarantujące w stosunku do obecnych nie tylko istotny wzrost sprawności termicznej, ale również zmniejszenie emisji, CO2, SO2, NOx i pyłów.

Efektywniejsza technologia

Rozwój energetyki węglowej bazuje na nowoczesnych układach parowo-gazowych, zintegrowanych z tlenowo-parowym zgazowaniem paliwa, określanych skrótem IGCC (Integrated Gasification Combinet Cycle). Ta technologia jest energetycznie efektywniejsza od klasycznej elektrowni, dlatego, że nie wymaga kosztownego i mało sprawnego kotła pary wodnej. Tlenowo-parowe zgazowanie węgla, poprzedzające spalanie gazu procesowego przed turbiną gazową, okazało się ekologicznie oraz ekonomicznie efektywną alternatywą dla bezpośredniego spalania węgla.

Głównymi elementami procesu IGCC są:

- generator zgazowania węgla

- instalacje schładzania oraz oczyszczania gazu procesowego

- turbina gazowa wraz z turbiną parową z kotłem odzysknicowym, obie sprzężone z elektrogeneratorami.

Znaczącą cechą instalacji IGCC jest relatywnie niska emisja trujących składników gazowych oraz pyłu w spalinach (< 20 mg SO2/m3, < 70 mg NOx/m3 i < 3 mg pyłu/m3 ). Efektywność układu zgazowania podąża również za rozwojem turbin gazowych i dziś elektrownie IGCC osiągają sprawność powyżej 45% (w zależności od jakości węgla).

Pierwszy zintegrowany blok gazowo-parowy na gaz procesowy z węgla został uruchomiony w 1984 roku w elektrowni Cool Water, USA. Siarka zawarta w węglu jest usuwana z gazu procesowego metodą Clausa w czystej postaci lub przetwarzana do kwasu siarkowego, a odpady stałe (szklisty żużel) są neutralne dla środowiska.

Zasadniczą obecnie kwestią jest koszt bloków gazowo-parowych na gaz procesowy z węgla. Całkowite nakłady inwestycyjne ostatnio wzrosły i wynoszą obecnie 1600-2000 euro/kW mocy, natomiast koszty eksploatacji sięgają 44-46 euro/MW przy cenie paliwa 38-43 euro/tonę. Obsługa bezpośrednia wynosi 0,19-0,42 osoby/MW, a nadzoru i utrzymania ruchu 0,11-0.34 Osoby/MW.

W latach 1994-2000 uruchomiono 13 elektrowni IGCC, a wśród nich:

Demkolec (Holandia)-252MW, Tempa Electric (USA)-250MW, Prenflo (Hiszpania)-300MW, oraz BGL-Texaco (Włochy)-550MW.

Proces zgazowania węgla.

Tlenowo-parowe zgazowanie węgla prowadzi się obecnie pod ciśnieniem 3-5 MPa i w temperaturze 1350-1550oC. Te wysoką temperaturę zapewnia egzotermiczny proces półspalania węgla czystym tlenem:

2C+O2=2CO

Który umożliwia równoczesny przebieg endotermicznej reakcji parowego zgazowania surowca:

C+H2O=CO+H2

Popiół w płynnej postaci, w ilości 60-80% spływa od razu do wody na dnie generatora, stąd bywa odprowadzany na zewnątrz przez ciśnieniową śluzę. Pozostałą część stopionego popiołu 20-40% unosi gorący gaz procesowy w postaci rozproszonych cząstek.

W procesie wysokotemperaturowego zgazowania efektywniej ekstrahuje się węgiel z surowca energetycznego niż podczas jego bezpośredniego spalania. Popiół i żużel z klasycznych elektrowni zawiera, zatem sporo niespalonego węgla, którego brak w odpadach charakteryzuje proces zgazowania wg technologii IGCC.

Trzeba przy tym podkreślić fakt, że z wytworzonych spalin w elektrowni, IGCC łatwiej wydzielić można, CO2 niż z klasycznych elektrowni z jego podziemnym składowaniem (sekwestracji).

Proces zgazowania węgla – z możliwością przetwarzania uzyskiwanego gazu procesowego do metanolu, syntetycznej ropy oraz do wodoru dla ogniw paliwowych itp.- z sekwestracją, CO2 określa się mianem „technologii czystego węgla” (Clean Coal Technology).

W omawianym procesie tlenowo-parowego zgazowania surowca polimerowego (węgla, celulozy itp.) uzyskuje się gaz procesowy, zawierający głównie tlenek węgla z wodorem, obok CO2 i minimalnych ilości węglowodorów.

Wśród jednostopniowych generatorów zgazowania węgla do najefektywniejszych należą obecnie konstrukcje wg. technologii Texaco, Shell, Prenflo i Lurgi.

Na wylocie gazu procesowego z generatorów typu Shell i Prenflo ma miejsce schładzanie go poprzez częściowy zawrót zimnego. Dzięki temu następuje szybkie zestalanie drobin ciekłego popiołu w postaci lotnego pyłu, łatwego do usunięcia na ceramicznym filtrze.

Generator Texaco, którego paliwo podaje się w postaci wodnej pasty, jest zbudowany z podwójnych ścianek, między którymi znajduje się kocioł wodno-parowy, stanowiący dla tworzącego się z rozpylanego węgla gazu procesowego radiacyjny schładzacz do temperatury ok. 760oC. Unoszone przez gaz procesowy cząsteczki ciekłego popiołu zamieniają się w stały żużel, opadający na dno zbiornika wodnego, znajdującego się w dolnej części generatora, skąd bywa odprowadzany poprzez śluzę. Ciepło schładzanego gazu procesowego wykorzystuje się do produkcji pary wodnej, doprowadzanej następnie do turbiny parowej, sprzężonej z elektrogeneratorem. Dalsze schładzanie gazu procesowego odbywa się w dwóch równoległych kotłach podobnych do odzysknicowych.

Są również generatory, w których węgiel bywa zgazowywany w złożu fluidalnym pod zwiększonym ciśnieniem, i to przy użyciu powietrza. Wśród tego typu generatorów znany jest typ KRW (Kellog-Rust-Westinghouse). Tu do rozdrobnionego węgla dodaje się rozpylony kamień wapienny, który najpierw ulega kalcynacji, a potem absorbuje siarkowodór wg reakcji:

CaCO3 = CaO+CO2

CaO+H2S = CaS+H2O

              Do generatora tego typu dodawana bywa para wodna wspólnie z powietrzem, która intensyfikuje nie tylko proces fluidyzacji, ale również reakcje zgazowywania surowca. Temu samemu celowi służy częściowa cyrkulacja wytwarzanego gazu procesowego, która ponadto zapewnia schładzanie odpadów stałych, co warunkuje ich efektywne usuwanie.

Oczyszczanie gazu procesowego

Techniki oraz technologie oczyszczania gazu procesowego po różnorakich konstrukcjach generatorów tlenowo-parowego zgazowania węgla są do siebie podobne. Na początku usuwa się popioły lotne z możliwie wysoką efektywnością, co przebiega najczęściej na filtrach ceramicznych i/lub w płuczkach wodnych.

W kolejnej operacji usuwa się halogeny, a wśród nich przede wszystkim chlorowodór oraz fluorowodór, co przeprowadza się w skruberach wodnych. Następnie trzeba pozbyć się cyjanowodoru (HCN) oraz tlenosiarczku węgla (COS), czego dokonuje się w reaktorach z katalizatorami na drodze ich hydrolizy do amoniaku i siarkowodoru. W kolejnym węźle technologicznym przebiega usuwanie H2S oraz NH3, co odbywa się z wysoką sprawnością poprzez ich absorbcję na zimno w roztworach metylodietanoloamin (MDEA) lub podobnym. Na zimno- w jednym aparacie przebiega ich absorbcja, a w drugim- na gorąco-ich desorbcja. Stosowane procesy odsiarczania zapewniają sprawność, co najmniej 97,8%. Wydzielony siarkowodór można metodą Clausa na katalizatorze żelazowo-aluminiowym przetworzyć do czystej siarki, względnie na drodze utlenienia, również katalitycznego, przerobić przy użyciu SO3 do kwasu siarkowego.

Gaz odpadowy z instalacji Clausa bywa zawracany do węzła hydrolizy tlenosiarczku węgla.

W poszczególnych technologiach elektrowni IGCC są niewielkie różnice w obszarze oczyszczania gazowych półproduktów. W systemie Shell gaz procesowy po schłodzeniu do ok. 900oC poprzez częściowy zawrót zimnego ulega kolejnemu obniżeniu jego temp. do 235oC w konwekcyjnej chłodnicy. Stąd przepływa do filtra ceramicznego, a potem o ciśnieniu 3 MPa do wodnej płuczki halogenów, pracującej w temp. 110oC.

Elektrownia typu Prenflo

(Rys. 1) Elektrownia obejmuje trzy zintegrowane instalacje:

-          Suszenie oraz mielenie węgla wraz z jego tlenowo-parowym zgazowaniem,

-          Fizyko-chemiczne oczyszczanie wytworzonego gazu procesowego,

-          Turbiny: gazowa i parowa zintegrowane z elektrogeneratorami oraz kotłem odzysknicowym ((rys. 2).

Konstrukcja generatora typu Prenflo umożliwia tlenowo-parowe zgazowanie węgli o dużym rozrzucie właściwości fizyko-chemicznych i w dodatku nawet w mieszaninie 50/50% z wysoko zasiarczonym koksem petrochemicznym z krakingu próżniowej pozostałości podestylacyjnej ropy. Paliwo bywa mielone do granulacji poniżej 90 m oraz suszone do zawilgocenia poniżej 1,5%. Jego zgazowanie w ilości 2600 t/d w generatorze w temperaturze 1450-1500oC i pod ciśnieniem 3-4 MPa przebiega w układzie strumieniowo-pyłowym. Zużycie tlenu wynosi 640 m3/t węgla. Płaszcz generatora wykonano z podwójnych ścianek, między którymi jest kocioł wodno-parowy. Konwersja węgla do gazu procesowego przewyższa 98% przy cieplnej sprawności procesu zgazowania prawie 95%. Wytworzony gaz procesowy o składzie, 60% CO, 33,6% H2, 2,6% CO2 i 3,8% N2 charakteryzuje się wartością opałową w wysokości 11,1 MJ/m3.

Gorący, surowy gaz procesowy, opuszczając reaktor, zostaje ochłodzony do ok. 800oC przez częściową cyrkulację. Po dalszym schłodzeniu do 240oC w oziębiaczu konwekcyjnym i wcześniejszym zestaleniu unoszonych cząstek stopionego popiołu następuje ich usuwanie w ceramicznych filtrach świecowych. Wyłapany w filtrach ceramicznych lotny popiół jest zawracany do reaktora zgazowania węgla.

              Następnie gaz procesowy przepływa do płuczki Venturiego w celu oczyszczenia z halogenów (HCl i HF). W kolejnej operacji(rys.4) następuje hydroliza tlenosiarczku węgla (COS) i wymywanie siarkowodoru roztworem MDEA. W tym węźle procesowym są dwie kolumny: w oziębionej przebiega absorbcja H2S, a w drugiej, na gorąco, jego desorbcja. Czysty siarkowodór przepływa następnie do instalacji Clausa, w której zostaje katalitycznie przetworzony do wolnej siarki (używanej m.in. do wulkanizacji kauczuku w fabrykach opon). Oczyszczony gaz procesowy zostaje w kolejnej operacji nawilżony, podgrzany do 300oC i skierowany do komory palnikowej przy turbinie gazowej. Dopływem azotu do gazu procesowego reguluje się poziom temperatury spalin w wysokości 1260oC, kierowanych na wirniki łopatek turbiny gazowej. Powyższa temp. wpływa m.in. na poziom zawartości tlenków azotu w spalinach. Turbina gazowa sprzężona z elektrogeneratorem ma moc 200 MW. Spaliny z tej turbiny o temperaturze 540oC przepływają do kotła odzysknicowego. Wytworzona tu para (rys.2) zasila turbinę parową, sprzężoną z elektrogeneratorem.

              Do minimalizacji strat cieplnych zastosowano trójstopniowy kocioł odzysknicowy (trzy różne ciśnienia) z międzystopniowymi przegrzewaczami. Turbina parowa osiąga moc 145 MW brutto. Cały układ elektrowni charakteryzuje się mocą 300 MW netto, przy całkowitej sprawności 47%.

              Emisja zanieczyszczeń obejmuje SO2 < 19 ppm, NOx < 65 ppm i pyłu < 3 mg/m3. Całkowity koszt budowy elektrowni Prenflo wynosi prawie 600 mln euro.

Cząstkowe nakłady inwestycyjne budowy elektrowni IGCC o mocy 300 MW netto: