BIULETYN WDROśEŃ - Czystsza Produkcja GIG Katowice
Transkrypt
BIULETYN WDROśEŃ - Czystsza Produkcja GIG Katowice
BIULETYN WDROśEŃ CZYSTSZEJ PRODUKCJI Egzemplarz bezpłatny 4/2013 (49) Motto: Ziemi nie odziedziczyliśmy po naszych przodkach, Ziemię wypoŜyczyliśmy od naszych wnuków Współzgazowanie węgla i biomasy do gazu bogatego Spis treści w wodór 1. Współzgazowanie węgla i biomasy do gazu bogatego w wodór Wprowadzenie Wzrost zapotrzebowania na energię przy braku stabilności cen 2. Środowiskowe aspekty zasolenia oraz dostaw gazu i ropy naftowej, malejące zasoby paliw wód powierzchniowych kopalnych oraz zaostrzenia wymagań prawnych dotyczących emisji zanieczyszczeń z układów produkcji energii zmuszają do poszukiwania konkurencyjnych cenowo i przyjaznych środowisku nośników energii. Wiele uwagi poświęca się obecnie opracowaniu technologii zintegrowanej produkcji wodoru i energii elektrycznej w oparciu o proces zgazowania, umoŜliwiającej równieŜ separację powstającego CO2 przy niŜszych stratach sprawności systemu niŜ w układach konwencjonalnych produkcji energii elektrycznej w procesie spalania. Koncepcja ta w dalszym ciągu bazuje jednak na uŜytkowaniu paliw kopalnych, a składowanie CO2 wydzielonego ze strumienia gazu syntezowego jest nadal tematem otwartym i kontrowersyjnym. Promuje się takŜe rozwój uŜytkowania w moŜliwie duŜym stopniu odnawialnych źródeł energii (OZE). Problem poprawy sprawności układów produkcji energii oraz ograniczenia emisji CO2 jest problemem kluczowym polskiego sektora energetycznego, w którym około 90% energii elektrycznej produkowanej jest w oparciu o węgiel. W Polityce Energetycznej Polski do 2030 roku ustanowiono cele związane z dywersyfikacją źródeł energii, w tym cel zwiększenia udziału energii ze źródeł odnawialnych w bilansie energetycznym kraju, co najmniej do poziomu 15% końcowego zuŜycia energii w 2020 roku oraz dalszego wzrostu tego wskaźnika w latach następnych. Dla porównania - w roku 2010 energia z odnawialnych źródeł stanowiła 9,5% zuŜycia energii brutto w Polsce, a energia elektryczna wytworzona z OZE stanowiła 7,0% krajowego zuŜycia energii elektrycznej brutto. Ponad połowę energii elektrycznej wyprodukowanej z OZE uzyskano z biomasy w procesie współspalania. Ocenia się, Ŝe biomasa odpadowa moŜe zaspokoić około 7,5% zapotrzebowania energetycznego świata, w związku z czym dopuszcza się moŜliwość prowadzenia upraw roślin energetycznych na terenach wyłączonych spod działalności rolnej, leśnictwa, na terenach niezurbanizowanych lub poprzemysłowych (rys.1). Technologie zgazowania węgla i biomasy Technologie zgazowania, czyli termochemicznej konwersji węgla w wysokiej temperaturze w warunkach niedoboru tlenu, umoŜliwiają uŜytkowanie paliw z większą sprawnością procesu niŜ układy spalania oraz uzyskanie produktu, gazu syntezowego, o aplikacyjnych szerokich moŜliwościach w produkcji energii elektrycznej, cieplnej, syntezie chemicznej i produkcji paliw płynnych. Rys. 1. Uprawa miskanta olbrzymiego (łac. Miscanthus X Giganteus) – archiwum prywatne Wsad do procesu zgazowania moŜe być przy tym podawany zarówno w postaci stałej, jak i w postaci zawiesiny wodnej lub gazu, w zaleŜności od typu reaktora. Większość eksploatowanych obecnie instalacji zgazowania pracuje na węglu i ropie naftowej. Szacuje się, Ŝe do roku 2016, prawie 62% mocy gazu syntezowego produkowane będzie z węgla, a tylko 0,3% z biomasy (rys.2). Wynika to z trudności w zapewnieniu ciągłości dostaw surowca odnawialnego i problemami eksploatacyjnymi związanymi z uŜytGŁÓWNY INSTYTUT GÓRNICTWA Zakład Oszczędności Energii i Ochrony Powietrza Krajowe Centrum WdroŜeń Czystszej Produkcji Plac Gwarków 1, 40-166 Katowice tel.: 32 259 21 38 e-mail: [email protected] http://cp.gig.eu Opracowanie biuletynu: Natalia Howaniec, Krzysztof Korczak Redakcja i skład: Jacek Boba Biuletyn dofinansowano ze środków Narodowego Funduszu Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej kowaniem biomasy. W związku z tym zgazowanie biomasy prowadzone jest w mniejszej skali (do 50 MWe), co przekłada się na mniejszą sprawność i większe koszty jednostkowe produkcji energii, niŜ w przypadku uŜytkowania paliw kopalnych. Rozwiązaniem umoŜliwiającym prowadzenie procesu zgazowania w korzystnej ekonomicznie skali, przy jednoczesnym częściowym zastąpieniu surowca kopalnego gwarantującego stabilność dostaw, surowcem odnawialnym, w bilansie CO2 instalacji uwaŜanym za zeroemisyjny, jest proces współzgazowania. Perspektywy i wyzwania na drodze zastosowania przemysłowego technologii współzgazowania Implementacja przemysłowa technologii współzgazowania wymaga jednak uprzedniej optymalizacji rozwiązań technicznych węzła podawania i wstępnego przygotowania biomasy (suszenie do zawartości wilgoci 10÷15%wag., mielenie, wypraŜanie i peletyzacja), doboru rozwiązania technicznego reaktora i parametrów eksploatacyjnych procesu do rodzaju surowca oraz poŜądanego składu produktu gazowego oraz opracowania skutecznych metod zapobiegania problemom eksploatacyjnym wynikającym z aglomeracji popiołów z biomasy o niskiej temperaturze topnienia oraz odkładania soli i tlenków metali alkalicznych w instalacji, a takŜe efektywnych metod oczyszczania gazu. W procesie Rys. 2 Udział surowców w mocy gazu syntezowego generowane są równieŜ substancje smoliste, – prognoza na rok 2016 (100% = 122106 MWth). kondensujące w temperaturze poniŜej 450°C i odkładające się w częściach instalacji, filtrach cząstek stałych lub pozostające w gazie. Redukcję ilości substancji smolistych moŜna osiągnąć na etapie procesu zgazowania - przez zastosowanie odpowiednich parametrów eksploatacyjnych i/lub katalizatorów lub po jego zakończeniu - przez opracowanie i zastosowanie odpowiednich metod oczyszczania produktu gazowego. Współzgazowanie węgla i biomasy w jednym reaktorze wiąŜe się z koniecznością przezwycięŜenia wielu problemów eksploatacyjnych na etapie przygotowania wsadu, jak i samego procesu zgazowania oraz późniejszego uŜytkowania gazu. Z drugiej jednak strony w niektórych pracach badawczych prowadzonych obecnie w zakresie współzgazowania stwierdzono poprawę parametrów procesu zgazowania mieszanek wsadowych (np. reaktywności paliwa, stopnia konwersji węgla, składu i ilości produkowanego gazu) w stosunku do wartości oczekiwanych na podstawie analizy wyników procesu zgazowania tych paliw oddzielnie. Światowe doniesienia w zakresie wpływu udziału węgla, biomasy lub innych składników mieszanki wsadowej (np. tworzyw sztucznych) na przebieg i efekty procesu współzgazowania nie są przy tym jednoznaczne, co wynika między innymi z duŜego zróŜnicowania warunków prowadzenia procesu współzgazowania, w tym rodzajów stosowanych paliw, typów reaktorów i wartości parametrów eksploatacyjnych. W większości instalacji uŜytkujących obecnie węgiel i biomasę do celów energetycznych z zastosowaniem technologii zgazowania, zgazowaniu poddawana jest biomasa, a uzyskany w ten sposób nieoczyszczony gaz jest współspalany z paliwem kopalnym. Wśród nielicznych układów współzgazowania mieszanek wsadowych pracujących obecnie na świecie w skali przemysłowej wymienić naleŜy instalację bloku gazowo-parowego zintegrowanego ze zgazowaniem Nuon Power w Buggenum, w Holandii, o mocy 253 MW, w której planuje się uŜytkowanie wsadu o docelowo 50%wag. udziale biomasy, dla poprawy bilansu CO2 instalacji. Wydaje się, Ŝe rozwój technologii współzgazowania węgla i biomasy w Polsce, w warunkach konieczności modernizacji infrastruktury produkcji energii, oferuje szereg korzyści w aspekcie budowy zrównowaŜonych systemów energetycznych, między innymi moŜliwość uŜytkowania podstawowego surowca energetycznego kraju, węgla, w układach o większej sprawności i mniejszej emisji zanieczyszczeń niŜ układów spalania oraz częściowe zastąpienie paliwa kopalnego odnawialnym źródłem energii, biomasą. (NH) Materiały źródłowe: • Energia ze źródeł odnawialnych w 2010 roku. Informacje i opracowania statystyczne. GUS, Warszawa, 2011 • McKendry. Bioresource Technology 83 (2002) • Fermoso J., Arias B., Gil M.V., Plaza M.G., Pevida C., Pis J.J., Rubiera F. Bioresourse Technology 101 (2010) • National Energy Technology Laboratory. 2010 Worldwide Gasification Database, http://www.netl.doe.gov/ 2 Środowiskowe aspekty zasolenia wód powierzchniowych Wprowadzenie Wzrost zasolenia wód powierzchniowych w Polsce jest głównie spowodowany wprowadzaniem do nich ścieków przemysłowych zawierających znaczący ładunek chlorków. Wysokie stęŜenie chlorków w wodach powierzchniowych powoduje istotne zmiany w ekosystemach wodnych. Rola chlorków w środowisku Anion chlorkowy jest uznawany za składnik „zachowawczy” w środowisku, w którym pozostaje w postaci nieulegającej zmianom, jako rozpuszczony w wodzie lub w postaci łatwo rozpuszczalnych soli. Nie tworzy nierozpuszczalnych związków oraz nie jest sorbowany, zarówno przez materiał glebowy, jak teŜ przez osady denne w wodach powierzchniowych. Nie jest równieŜ emitowany do atmosfery. Chlorki towarzyszą obiegowi wody i ostatecznie z wodami powierzchniowymi trafiają do mórz i oceanów lub są wymywane do wód wgłębnych, w których, podobnie jak w morzach, ulegają zagęszczeniu. Chlorki są obecne we wszystkich organizmach Ŝywych, gdzie ogrywają znaczącą rolę w zachowaniu ciśnienia osmotycznego. Są one równieŜ podstawowym składnikiem roztworu fizjologicznego w organizmie człowieka. W Ŝywieniu roślin chlorki są traktowane jako mikroelement, a w Ŝywienia zwierząt jako składnik podstawowy. Natomiast nadmierne zasolenie środowiska (wysokie stęŜenie NaCl) wpływa toksycznie na organizmy Ŝywe. Źródła zasolenia wód powierzchniowych Naturalnym źródłem chlorków w środowisku jest wietrzenie skał krzemianowych, rozpuszczanie złóŜ soli kuchennej oraz innych soli zawierających ten składnik. Sole zawierające chlorki wydobywa się do celów spoŜywczych i przemysłowych, ale takŜe są kopaliną towarzyszącą innym minerałom (węgiel kamienny, rudy miedzi). Chlorki docierają do zasobów wody z róŜnych źródeł. Jednym ze znaczących źródeł chlorków w wodach powierzchniowych jest opad atmosferyczny. Chlorki w opadzie pochodzą głównie z rozpylania wody morskiej, unoszenia pyłów, a takŜe z emisji kwasu solnego i chlorku amonu. Znaczący wpływ na zasolenie wód powierzchniowych mają wody pochodzące z odwadniania kopalń. Wpływ na zwiększenie stęŜenia chlorków ma produkcja przemysłowa i rolna oraz bytowa działalność ludności (takŜe odśnieŜanie i odmraŜanie dróg). Średni roczny zrzucany ładunek chlorków z lat 1990÷2010 wynosił 5,3 mln ton Cl¯ /rok, co stanowi ok 25% substancji rozpuszczonych odpływających z Polski rzekami do morza. Wielkość ładunku chlorków dopływających do Bałtyku, oparta na wiarygodnych danych monitoringowych, jest ilościowo zbliŜona do szacunkowego bilansu ich źródeł (rys. 1). Rys. 1. Źródła chlorków w wodach powierzchniowych Istotny wpływ zrzutu zasolonych ścieków przemysłowych na wody powierzchniowe występuje głównie w rejonach o duŜej koncentracji przemysłu, w tym górnictwa (regiony wodne Mała Wisła i Górna Odra). Wpływ podwyŜszonego stęŜenia chlorków na środowisko wodne Przy występującym średnim stęŜeniu chlorków i siarczanów ich negatywny wpływ na środowisko wodne będzie tym mniejszy, im mniejsze będą wahania stęŜeń. Jest to spowodowane zjawiskami stopniowej adaptacji bakterii, glonów, zwierząt bezkręgowych i ryb, jak i całych wielogatunkowych zbiorowisk organizmów, do podwyŜszonego zasolenia wód. Ten czynnik moŜe okazać się szczególnie istotny w sytuacji, gdy wytworzone zbiorowiska będą miały charakter przejściowy, tj. z duŜym udziałem gatunków preferujących wody słonawe. Dla organizmów wodnych i ich zbiorowisk bardziej istotne od zawartości poszczególnych jonów (aniony chlorkowe lub siarczanowe, kationy sodu, potasu, magnezu, wapnia) są 3 osmotyczne właściwości środowiska. W poniŜszym zestawieniu (tabela 1) przedstawiono wpływ stęŜenia chlorków na funkcjonowanie ekosystemu wodnego. Tabela 1. Wpływ stęŜenia chlorków na ekosystem wodny Rodzaj ekosystemu: wody słodkie (oligohaliczne) - stęŜenie chlorków około 1000 mg/l Mogą rozwijać się wszystkie grupy bakterii warunkujących pełne funkcjonowanie mechanizmów samooczyszczania wód. Przy tym poziomie zasolenia nie naleŜy spodziewać się przejawów toksyczności ostrej, ani w przypadku większości organizmów pokarmowych ryb, ani w przypadku wraŜliwych gatunków ryb. Przy odpowiedniej ilości pokarmu, moŜliwe jest bytowanie i rozmnaŜanie się wszystkich gatunków ryb, mogą równieŜ bytować prawie wszystkie organizmy autotroficzne tj. glony i większość gatunków roślin wodnych. MoŜna przyjąć, Ŝe przy spełnieniu warunku utrzymywania się stabilnego ładunku zasolenia i przy zachowaniu innych parametrów wód typowych dla wód naturalnych, kształtować się moŜe wiele cech typowych dla naturalnego ekosystemu słodkowodnego. Obserwuje się zahamowanie wzrostu niektórych glonów słodkowodnych, a takŜe występowania nielicznych słonolubnych gatunków glonów, bakterii, pierwotniaków i zwierząt bezkręgowych. wody słodkie (oligohaliczne) - stęŜenie chlorków około 2000 mg/l Istnieją warunki do występowania złoŜonych zbiorowisk organizmów wodnych. Występować moŜe efekt toksyczności w przypadku niektórych organizmów naleŜących do makrobezkręgowców, np. niektórych owadów wodnych. MoŜe występować ograniczenie moŜliwości rozwoju populacji najwraŜliwszych gatunków fauny ekosystemu wód słodkich (toksyczność ostra w ekosystemie). Równocześnie jednak nie jest to stęŜenie zakłócające warunki bytowania większości glonów z róŜnych grup systematycznych, w tym zielenic. MoŜliwe jest równieŜ bytowanie niektórych gatunków roślin wyŜszych. Nie jest to równieŜ stęŜenie toksyczne dla ryb oraz najwaŜniejszych organizmów pokarmowych, np. skorupiaków. wody słodkie (oligohaliczne) - stęŜenie chlorków około 5000 mg/l Nie istnieje zagroŜenie dla mikroorganizmów prowadzących biochemiczny rozkład zanieczyszczeń. Nie występują natomiast wodne rośliny naczyniowe, skorupiaki oraz większość słodkowodnych gatunków glonów. Przy ogólnym ubóstwie liczby gatunków (wśród glonów i skorupiaków dominować będą gatunki mezohalobowe, tj. charakterystyczne dla wód słonawych, np. Bałtyku). Takie zasolenie nie oznacza wyeliminowania wszystkich gatunków ryb. W wodzie o takim zasoleniu mogą bytować np.: karaś złocisty i srebrzysty, płoć, węgorz. Spośród glonów naleŜy spodziewać się dominacji okrzemek. wody słonawe (mezohaliczne) - stęŜenie chlorków w zakresie 5 000 ÷ 16 000 mg/l Wody przybrzeŜne i słonawe (np. Bałtyk) - organizmy słonowodne występujące w wodach o zasoleniu 0,2 ÷ 3,0% (mezohaloby). wody słone (euhaliczne) - stęŜenie chlorków w zakresie 16 000 ÷ 35 000 mg/l Wody morskie i oceaniczne - organizmy słonowodne, Ŝyjące w wodach o zasoleniu 0,2 ÷ 3,0% (mezohaloby), wody bardzo słone (hiperhaliczne) - stęŜenie chlorków powyŜej 35 000 mg/l Wody oceaniczne i wody w słonych jeziorach - organizmy morskie, Ŝyjące w wodach o zasoleniu 3,0 ÷ 4,0% (euhaloby), większe stęŜenia mocno ograniczają liczbę gatunków (np. Morze Martwe). W kontekście przyrodniczym podwyŜszony poziom zasolenia wód rzecznych najczęściej: • działa niekorzystnie na rośliny wodne, • eliminuje wiele gatunków zooplanktonu i niektóre gatunki glonów, • nie eliminuje moŜliwości bytowania ryb, • nie zatrzymuje procesów samooczyszczania. Przy danym stopniu zasolenia, bardzo waŜnymi czynnikami decydującymi o funkcjonowaniu ekosystemu cieku, są: Ŝyzność wody (im większa, tym gorsze warunki natlenienia) oraz ukształtowanie koryta (im bardziej urozmaicone, tym lepiej), a takŜe wahania przepływu wody (im mniejsze, tym lepiej). (KK) Materiały źródłowe: • Sapek A. Współczesne źródła chlorków w środowisku wód śródlądowych, Ochrona Środowiska i Zasobów Naturalnych nr 40/2009. • Mikulski J.S.: „Biologia wód śródlądowych”, PWN Warszawa 1982 r. • Kajak Z.: „Hydrobiologia. Ekosystemy wód śródlądowych”, PWN Warszawa, 1994 r. 4