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