Czyste technologie węglowe – IGCC

Czyste technologie węglowe – IGCC
Wpisany przez Franek Sidorski
piątek, 20 lutego 2015 10:53 - Poprawiony piątek, 20 lutego 2015 11:00
Czyste technologie węglowe określa się jako ogół procesów, systemów oraz sposobów
efektywnego wykorzystania węgla, mających na celu szczególnie znaczne ograniczenie wpływu
produktów jego spalania (m.in. tlenki azotu, tlenki siarki oraz dwutlenki węgla) na środowisko
naturalne. Polska posiada bardzo duży potencjał węglowy, a jego udział w wytwarzaniu energii
elektrycznej w skali naszego kraju wynosi znacznie ponad osiemdziesiąt procent. W związku z
przewidywanymi co raz większymi ograniczeniami emisji gazów cieplarnianych oraz
spodziewanymi opłatami związanymi z przekraczaniem tych ograniczeń, warto zauważyć, że
ponieważ Polska ma od lat najbardziej zanieczyszczone powietrze w UE, a wiszą nad nami
kary wysokości nawet 4 mld zł, uchybienia są ciągłe i Polska nic z tym nie robi, warto zauważyć,
że jako kraj bogaty w zasoby węgla, powinniśmy przejść do jak najbardziej aktywnej polityki,
dotyczącej wykorzystania czystych technologii węglowych w energetyce. Przez czyste
technologie węglowe należy rozumieć zarówno wpływ na proces spalania węgla (np. spalanie w
atmosferze wzbogaconej w tlen, siłownie na parametry nadkrytyczne) jak i wpływ na proces
oczyszczania produktów spalania węgla (np. odsiarczanie, odpylanie) czy też będący
przedmiotem tego artykułu układ IGCC, gdzie osiąga się wpływ na proces zgazowania węgla,
przed jego spaleniem.
IGCC (z ang. Integrated Gasification Combined Cycle) jest to układ gazowo - parowy
zintegrowany ze zgazowaniem węgla, bardzo korzystny ze względu na to, że jest to najbardziej
ekologiczny układ węglowy, w związku z czym opłacalny w kraju, który posiada duży potencjał
tego paliwa. W układzie IGCC osiągamy o prawie połowę niższe zużycie wody, w zestawieniu z
konwencjonalnymi siłowniami węglowymi. Warto również zauważyć, że układ ten możemy
zaliczyć jako prawie zeroemisyjny, w przypadku zastosowania w nim technologii wychwytu
dwutlenku węgla, które bazują przede wszystkim na absorpcji fizycznej, chociaż obecnie
prowadzone są również badania nad membranowymi technologiami separacji CO 2 . Należy
pamiętać, że wychwyt CO
2
w układach IGCC odbywa się przed procesem spalania węgla, co z języka angielskiego określa
się jako pre-combustion capture. Istnieje wskazanie na wykorzystywanie w układach IGCC
technologii membranowych, ze względu na wysokie ciśnienie gazu syntezowego oraz
uzyskanie gazu bogatego w cząsteczki H
2
po procesie separacji CO
2
. Ideowo, układ IGCC ukierunkowany na produkcję energii elektrycznej, składa się z
następujących procesów:
- Zgazowania w generatorze paliwa np. węgla w niskokaloryczne i średniokaloryczne
paliwo gazowe, którego skład zależy od rodzaju substancji podlegającej zgazowaniu oraz od
technologii zgazowywania, czyli głównie od tego jaki czynnik zgazowujący zostanie
wykorzystany do procesu (np. tlen, powietrze, para wodna). Wartość opałowa otrzymanego
1/4
Czyste technologie węglowe – IGCC
Wpisany przez Franek Sidorski
piątek, 20 lutego 2015 10:53 - Poprawiony piątek, 20 lutego 2015 11:00
3 do nawet 33 MJ/m 3 .
paliwa gazowego mieści się w szerokim zakresie od 4 MJ/m
- Otrzymany w procesie zgazowania gaz syntezowy kierowany jest poprzez wymienniki
ciepłą do instalacji oczyszczania (głównie oczyszczanie z cząstek stałych, związków siarki oraz
wychwyt CO
2 ).
- Spalenie oczyszczonego gazu w komorze spalania układu gazowego, a następnie
przekierowanie spalin do turbozespołu z turbiną gazową i generacja energii elektrycznej.
- Wykorzystanie entalpii spalin wylotowych turbiny gazowej w kotle odzysknicowym,
generującym parę na potrzeby układu parowego z turbozespołem z turbiną parową i generacja
energii elektrycznej.
Animację pracy układu IGCC warto obejrzeć na stronie:
http://www.duke-energy.com/about-us/how-igcc-works.asp
Warto zauważyć, że sprawność wytwarzania energii elektrycznej osiąga wartość na poziomie
35% - 40% w przypadku instalacji IGCC z wychwytem CO 2 oraz nawet do 44% w przypadku
instalacji bez wychwytu CO
2.
Osiągamy najniższą emisję zanieczyszczeń, spośród dostępnych technologii węglowych oraz
mamy możliwość zgazowania różnych paliw m.in. węgla kamiennego, węgla brunatnego czy też
biomasy. Ważnym aspektem, kluczowym dla procesu zgazowania, jest wykorzystany czynnik
zgazowujący. Najczęściej stosowanymi czynnikami zgazowującymi są tlen, powietrze i para
wodna. Jeśli chodzi o nakłady inwestycyjne, ze względu na bardzo dużą dostępność,
najtańszym jest wykorzystanie powietrza, jako czynnika zgazowującego, jednak wiąże się to z
obecnością dużej ilości N
2
w powstającym gazie syntezowym, co jest niekorzystne, ze względu na to, że gaz ten jest
niereaktywny w dalszym procesie spalania. Najkorzystniejsze jest wykorzystanie tlenu, dające
nam w gazie syntezowym znaczne ilości CO i H
2
, w związku z czym wartość opałowa otrzymanego produktu zgazowania jest wyższa. Warto
jednak zauważyć, że zgazowanie z wykorzystaniem tlenu, jako czynnika zgazowującego, wiąże
się z budową dodatkowej instalacji separacji tlenu z powietrza ASU (z ang. Air Separation Unit)
co z kolei zwiększa nakłady inwestycyjne. Kolejną ważna instalacją technologiczną w układzie
IGCC jest generator gazu, mający głównie wpływ na skład oraz postać powstałego gazu
syntezowego oraz na stopień konwersji węgla, czyli procentowa ilość węgla, która
przereagowała w generatorze gazu. Generatory klasyfikuje się na podstawie przepływu paliwa
w strefie reakcyjnej. W skali przemysłowej, zasadniczo stosowane są trzy typy: ze złożem
stałym, ze złożem fluidalnym oraz ze złożem strumieniowym. Układ ze złożem stałym
charakteryzuje się najprostszą konstrukcją, jednak w wytworzonym gazie znajduję się takie
produkty odgazowywania jak smoła czy ciekłe węglowodory, co powoduje konieczność
2/4
Czyste technologie węglowe – IGCC
Wpisany przez Franek Sidorski
piątek, 20 lutego 2015 10:53 - Poprawiony piątek, 20 lutego 2015 11:00
specjalnych metod oczyszczania gazu. Układy ze złożem fluidalnym pozwalają na uzyskanie
bardzo wysokiego stopnia kontaktu cząstek czynnika zgazowującego i zgazowywanego, jednak
bardzo dużą wadą tego układu są stosunkowo niskie stopnie konwersji węgla. Najbardziej
korzystnym jest ostatni z wymienionych, generator gazu ze złożem strumieniowym, ponieważ
można w nim wykorzystać każdy węgiel, niezależnie od zawartości popiołu oraz jego zdolności
do spiekania. W połączeniu z tlenem i parą wodną jako czynnikami zgazowującymi stopień
konwersji węgla osiągany jest na poziomie 99%, a w powstałym gazie syntezowym nie ma ani
substancji smolistych, ani fenoli. Jedyną wadą generatora ze złożem strumieniowym, są
utrzymywane w nim wysokie temperatury eksploatacyjne, co wiąże się z wykorzystanie
kosztownych materiałów konstrukcyjnych oraz wysokotemperaturowych wymienników ciepła, co
powoduje wyższe koszty inwestycyjne. W ocenie efektywności procesu zgazowania paliwa,
pomijając wcześniej wspomniany stopień konwersji węgla, stosuję się również inne wskaźniki,
takie jak np. efektywność energetyczna „na zimno” η
z
mówi nam o stosunku strumienia masy paliwa doprowadzonego do zgazowania do strumienia
masy gazu, uzyskanego w tym procesie lub stosunku wartości opałowej paliwa do wartości
opałowej otrzymanego gazu. W zależności od zastosowanych technologii oraz parametrów
prosu zgazowania, efektywność energetyczna „na zimno” mieści się w granicach η
z
= 70 – 91%, przy czym największe wartości osiąga się przy zgazowaniu w złożu
strumieniowym.
Podsumowując układy IGCC są przyszłością jeśli chodzi o wykorzystanie węgla jako paliwa w
energetyce, która ma się stawać coraz czystsza. Układy te w komercyjnych warunkach pracują
obecnie w kilku wysoce rozwiniętych krajach takich jak Stany Zjednoczone, Japonia, Hiszpania,
Wielka Brytania czy Holandia. Obecnie największym blokiem jest układ Powerfuel w Anglii, o
nominalnej mocy docelowej 900MW. Do 2016 roku ma powstać kolejnych dziewięć układów
gazowo – parowych ze zintegrowanym zgazowaniem węgla (głównie w USA i w krajach
azjatyckich). Warto podkreślić, że tego typu układ powinien być również przyszłością dla
Polskiej energetyki, borykającej się głównie z problemami, związanymi z wysoka emisją gazów
cieplarnianych. Przy takim potencjale węglowym, układ IGCC połączony z separacją CO 2 wyda
je się być idealnym rozwiązaniem.
Bibliografia:
3/4
Czyste technologie węglowe – IGCC
Wpisany przez Franek Sidorski
piątek, 20 lutego 2015 10:53 - Poprawiony piątek, 20 lutego 2015 11:00
Kotowicz J., Bartela Ł. i inni, Analiza termodynamiczna i ekonomiczna układu
gazowo-parowego zintegrowanego ze zgazowaniem węgla oraz membranową separacją
ditlenku węgla IGCC,
Gliwice 2012;
4/4