BIULETYN WDROśEŃ - Czystsza Produkcja GIG Katowice

BIULETYN WDROśEŃ - Czystsza Produkcja GIG Katowice

BIULETYN WDROśEŃ
CZYSTSZEJ PRODUKCJI
Egzemplarz bezpłatny
9/2013 (54)
Motto: Ziemi nie odziedziczyliśmy po naszych przodkach, Ziemię wypoŜyczyliśmy od naszych wnuków
Kierunki wykorzystania biogazu – biometan
SPIS TREŚCI
1. Kierunki wykorzystania biogazu – biometan
Wprowadzenie
Produkcja biogazu w Polsce w ciągu ostatnich lat 2. Aspekty środowiskowe podziemnego
zgazowania węgla
zwiększyła się blisko 3 krotnie: z 1941 TJ w roku
2004 do 5732 TJ w roku 2011. Podstawowymi źródłami biogazu są oczyszczalnie ścieków, składowiska
odpadów oraz gospodarstwa rolne. W kraju biogaz otrzymywany jest głównie w procesie fermentacji
metanowej osadów ściekowych, prowadzonym w duŜych oczyszczalniach ścieków.
Produkcja energii elektrycznej i ciepła w kogeneracji
Powszechnie stosowanym sposobem zagospodarowania biogazu jest jego spalanie w jednostce kogeneracyjnej, gdzie w skojarzeniu produkowana jest energia elektryczna i ciepło. Biogaz przed wprowadzeniem do jednostki kogeneracyjnej jest wstępnie odsiarczany oraz odwadniany do parametrów
zgodnych z wymaganiami określonymi przez producentów urządzeń kogeneracyjnych. Ten sposób zagospodarowania biogazu, w większości przypadków, odbywa się bezpośrednio na miejscu jego powstania.
Na przykład, oczyszczalnia ścieków produkuje biogaz z powstających w procesie oczyszczania ścieków
osadów ściekowych, a następnie spala go w jednostce kogeneracyjnej, produkując jednocześnie energię
elektryczną i ciepło. Energia wyprodukowana z biogazu wykorzystywana jest głównie na potrzeby
własne oczyszczalni. Energia elektryczna zasila urządzenia pracujące w oczyszczalni. Ciepło
wykorzystywane jest do celów grzewczych – głównie do podgrzewania komór fermentacyjnych.
Przekształcenie biogazu do
biometanu
Wtłaczanie biometanu
Innym sposobem wykorzystania
Biogazownia
do sieci gazu ziemnego
biogazu jest przekształcenie go
w biometan. Proces przekształcenia biogazu polega głównie na
Wstępne
Przekształcanie
przeprowadzeniu operacji wzbooczyszczanie
biogazu
Biogaz
biogazu
do biometanu
gacenia w metan (CH4), czyli
usunięcia dwutlenku węgla
(CO2)
oraz
oczyszczenia
Ogniwa
SpręŜanie
Skraplanie
Kogeneracja
ze związków siarki i innych
paliwowe
CBM
LBM
zanieczyszczeń. Biogaz oczyszczony i wzbogacony do postaci
Energia
Ciepło
elektryczna
biometanu moŜe być wtłaczany
do sieci gazowej, wykorzystany
jako paliwo transportowe CBM
Rys. 1. Kierunki wykorzystania biogazu
(Compressed BioMethane) lub
LBM (Liquefied BioMethane), a po przetworzeniu moŜna nim zasilać ogniwa paliwowe. Kierunki
wykorzystania biogazu przedstawiono na rysunku 1. Oczyszczanie i wzbogacanie biogazu do biometanu
stwarza nowe moŜliwości jego zastosowania. Wtłoczenie biometanu do sieci gazowej umoŜliwia jego
wykorzystanie w innym miejscu, niŜ jest produkowany. W wyniku zastosowania procesu przekształcenia
otrzymujemy biogaz o parametrach zbliŜonych do parametrów gazu ziemnego. Gaz ziemny GZ-50
charakteryzuje się wartością opałową nie mniejszą niŜ 31 MJ/m3, zawartością CH4 na poziomie 97,8%
GŁÓWNY 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.katowice.pl
Opracowanie biuletynu: Joanna Krzemień, Krzysztof Kapusta Redakcja i skład: Jacek Boba
Biuletyn dofinansowano ze środków Narodowego Funduszu Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej
oraz CO2 około 0,2%. Porównanie wybranych
parametrów biogazu, biometanu i gazu
ziemnego przedstawiono w tabeli 1.
Technologie wzbogacania biogazu do bioParametr
Biogaz
Biometan Gaz ziemny
metanu
Technologie wzbogacania biogazu do
CH4
45−75%
94−99%
93−98%
biometanu oparte są głównie na procesach:
absorpcji fizycznej i chemicznej, adsorpcji,
CO2
1%
28−45%
0,1−4%
separacji membranowej oraz separacji
kriogenicznej.
N2
< 3%
< 3%
1%
Absorpcja fizyczna jest procesem polegającym
na wypłukiwaniu CO2 z biogazu zimną wodą.
O2
< 2%
< 1%
Dwutlenek węgla, podobnie jak siarkowodór
(H2S), bardzo dobrze rozpuszcza się w wodzie
Ilości
Ilości
H2
– w przeciwieństwie do metanu. Proces
śladowe
śladowe
przeprowadza się w płuczkach, skruberach
H2S
< 10 ppm
< 10 ppm
i kolumnach absorpcyjnych. Proces przebiega
w temperaturze 20°C, przy ciśnieniu 1,0−1,2
Ilości
Ilości
MPa. Efektem końcowym procesu absorpcji
NH3
śladowe
śladowe
ciśnieniowej jest gaz o zawartości CH4
powyŜej 96%. Odzysk CO2 następuje poprzez
Wartość
5,5−7,7
10,2−10,9
9−11
podgrzanie wody, po czym woda zawracana
3
3
3
opałowa
kWh/m
kWh/m
kWh/m
jest do procesu.
W procesie absorpcji chemicznej (chemisorpcji) zamiast wody stosuje się roztwory związków
chemicznych, takich jak: aminy, wodorotlenek potasu (KOH) i wodorotlenek sodu (NaOH). W wyniku
absorpcji chemicznej otrzymywany jest gaz o zawartości 99−99,4% CH4, straty CH4 wynoszą <0,1%.
Procesy adsorpcyjne polegają na zagęszczaniu się substancji w złoŜu o dobrze rozwiniętej powierzchni.
Dobrymi właściwościami adsorpcyjnymi charakteryzują się węgle aktywne i zeolity. Kolejnym etapem
procesu jest odzysk CO2 czyli regeneracja adsorbentu. ZłoŜe regeneruje się parą wodną lub powietrzem.
Separacja membranowa jest stosunkowo nową technologią wzbogacania biogazu do biometanu. Oparta
jest na zjawisku selektywnej przepuszczalności CO2 przez membrany ze środowiska gazowego. Membrany mogą być ceramiczne, polimerowe, a w celu zwiększenia efektywności separacji moŜna je łączyć
w złoŜone układy wielostopniowe. Zawartość CH4 w gazie po procesie wynosi powyŜej 95%, natomiast
straty są na poziomie 2%. Jest to metoda droga, zalecana dla strumienia gazu powyŜej 500 m3/h.
Separacja kriogeniczna odbywa się poprzez spręŜanie i chłodzenie gazu w kilku etapach,
a następnie wydzielenie CO2 w postaci ciekłej. W wyniku procesu separacji kriogenicznej zawartość CH4
osiąga poziom 94−98%, a straty CH4 stanowią 0,5%. W Europie najczęściej stosowaną technologią
wzbogacania biogazu jest absorpcja fizyczna (instalacje płuczki wodnej).
Instalacje przekształcania biogazu do biometanu
Na świecie istnieje ponad 200 instalacji oczyszczania i wzbogacania biogazu do biometanu. Światowym
liderem pod względem ilości posiadanych instalacji są Niemcy, gdzie funkcjonuje 107 takich obiektów
oraz Szwecja, gdzie biometan wytwarzany jest w 56 instalacjach. Instalacje do produkcji biometanu
z biogazu pracują równieŜ w Holandii, Szwajcarii, USA i Austrii. W Polsce, jak dotąd, nie funkcjonuje
Ŝadna instalacja przekształcania surowego biogazu do biometanu. Wyprodukowany w kraju biogaz
wykorzystywany jest przede wszystkim do wytwarzania energii elektrycznej i ciepła w kogeneracji. (JK)
Tabela 1. Porównanie wybranych parametrów biogazu,
biometanu i gazu ziemnego
Materiały źródłowe:
• Główny Urząd Statystyczny: „Energia ze źródeł odnawialnych w 2011 r.”, Warszawa 2012
• W. Lewandowski „Proekologiczne odnawialne źródła energii”, Wydawnictwo Naukowo – Techniczne, Warszawa 2007
• Rapp M. 2010. The role of biogas in the EWE’s E3., Presentation prelected at 2nd International Biogas Seminar
BIOGAZ 2010, Warsaw 2010
• www.pgnig.pl
• IEA Task 37
• B. Smerkowska „Oczyszczanie i uszlachetnianie biogazu do jakości gazu ziemnego”, PIMOT, materiały konferencyjne,
Kraków 2012
2
Aspekty środowiskowe podziemnego zgazowania węgla
Wprowadzenie
Wzrastające zapotrzebowanie na surowce energetyczne, przy stale rosnących cenach pierwotnych
nośników energii oraz zaostrzających się wymogach w zakresie oddziaływania sektora energetycznego na
środowisko naturalne powodują wzrost zainteresowania alternatywnymi metodami eksploatacji,
uŜytkowania oraz chemicznej przeróbki węgla. Jednym z perspektywicznych kierunków rozwoju metod
pozyskiwania zasobów energetycznych pokładów węgla jest technologia podziemnego zgazowania węgla
(PZW). Taki sposób pozyskiwania energii chemicznej węgla, stanowiący obiecującą alternatywę
dla tradycyjnych metod eksploatacji pokładów, znajduje zastosowanie w przypadkach, w których
eksploatacja złoŜa konwencjonalnymi metodami górniczymi jest nieuzasadniona ze względu na
zagroŜenie bezpieczeństwa prowadzenia prac dołowych, bądź rachunek ekonomiczny.
Ogólna idea procesu PZW
Podobnie jak w przypadku dojrzałych technologicznie, powierzchniowych metod zgazowania, w trakcie
procesu PZW węgiel reaguje w podwyŜszonej temperaturze z czynnikiem zgazowującym, którym moŜe
być tlen, powietrze, para wodna lub ich mieszanina. Produktem końcowym jest mieszanina gazów
składająca się głównie z wodoru (H2), tlenku (CO) i dwutlenku węgla (CO2) oraz metanu, a wartość
opałowa gazu waha się od 3 MJ/Nm3 w przypadku stosowania powietrza, do 12 MJ/Nm3 w przypadku
uŜycia tlenu.
RóŜnica pomiędzy technologią zgazowania
powierzchniowego, a podziemnego polega jednak
na tym, Ŝe w przypadku tej ostatniej węgiel
zamieniany jest na gaz o wartości uŜytkowej
bezpośrednio w miejscu zalegania w złoŜu (insitu), po czym wyprowadzany jest na powierzchnię
za pomocą otworów pionowych. Tak więc
w
procesie
PZW
prawie
całkowicie
wyeliminowane zostają prace górnicze. Ideę
procesu zobrazowano na rysunku 1.
Rys. 1. Idea procesu podziemnego zgazowania węgla
Wykorzystanie produktów PZW
Gaz o wysokiej zawartości CO i H2 (gaz syntezowy) stanowi bardzo cenny surowiec dla przemysłu
chemicznego. Jest on podstawą szeregu syntez chemicznych, takich jak produkcja syntetycznych paliw
płynnych metodą Fischera - Tropscha, metanizacja (synteza substytutu gazu ziemnego – SNG) lub
produkcja metanolu. Po odpowiedniej przeróbce chemicznej i oczyszczeniu stanowić on moŜe równieŜ
źródło wodoru o potencjalnym zastosowaniu w ogniwach paliwowych bądź w syntezie chemicznej, np.
do produkcji amoniaku. Gaz ten po odpowiednim przygotowaniu moŜe równieŜ zostać wykorzystany do
produkcji energii elektrycznej w układach opartych na turbinach gazowych.
Oddziaływanie technologii PZW na środowisko
Wyeliminowanie prac górniczych przy eksploatacji pokładów węgla techniką PZW pozwala na
uniknięcie niektórych zagroŜeń środowiskowych, charakterystycznych dla tradycyjnego górnictwa
podziemnego, takich jak problem zrzutu słonych wód kopalnianych lub emisji pyłowych związanych
z powierzchniową infrastrukturą przeróbki i transportu surowca. W związku z większym
zapotrzebowaniem na teren pod infrastrukturę powierzchniową, w przypadku górnictwa
konwencjonalnego, skala wpływu instalacji PZW na lokalne walory krajobrazowo – przyrodnicze
z załoŜenia powinna być mniejsza. Wśród opisywanych w literaturze korzyści środowiskowych wymienia
się równieŜ znaczne ograniczenie ilości wytwarzanych w procesie PZW pyłów, uwalniania
niebezpiecznych metali, np. rtęci oraz niemal całkowitą eliminację ŜuŜli procesowych, których
zagospodarowanie z instalacji bazujących na zgazowywaczach powierzchniowych staje się
w ostatnich latach wielkim problemem. Sytuacja taka ma na przykład obecnie miejsce w zakładach
chemicznych Sasol w RPA bazujących na procesie zgazowania powierzchniowego Lurgi.
3
Negatywne oddziaływanie procesu PZW na środowisko naturalne moŜe wiązać się z potencjalnym
ryzykiem zanieczyszczenia wód podziemnych oraz moŜliwością osiadania powierzchni terenu nad
rejonem eksploatacji. Szacuje się jednak, Ŝe skala zjawiska osiadania terenu przy prowadzeniu procesu na
skalę przemysłową jest porównywalna z tradycyjnymi, górniczymi metodami eksploatacji pokładów
i podobnie jak w przypadku metod górniczych intensywność zjawiska zmniejsza się wraz ze wzrostem
głębokości eksploatacji. Teoretycznie, powaŜniejszym problemem środowiskowym związanym
z technologią PZW moŜe być jej potencjalny negatywny wpływ na wody podziemne, jednak w świetle
aktualnego stanu wiedzy ryzyko to moŜna w praktyce wyeliminować.
Eliminacja ryzyka zanieczyszczania wód
podziemnych w technologii PZW
Proces PZW jest nierozerwalnie związany
z powstawaniem szeregu szkodliwych
substancji chemicznych wchodzących
w skład tzw. smół generatorowych, które
przy nieodpowiednim prowadzeniu zgazowania mogą przedostać się do otoczenia
reaktora podziemnego. Podstawowym
sposobem w zapobieganiu występowaniu
zanieczyszczeń
wód
podziemnych
w procesie zgazowania podziemnego jest
a)
przede wszystkim wybór odpowiedniego
miejsca realizacji procesu, głównie pod
względem
warunków
geologicznych
i hydrogeologicznych.
W praktyce
działania te sprowadzają się do lokalizacji
reaktora podziemnego na odpowiednio
duŜej głębokości, w pokładach nie
mających
bezpośredniego
połączenia
hydrologicznego z naturalnymi zbiornikami wód podziemnych.
Pozostałe
środki minimalizacji ryzyka środowiskowego związane są przede wszystkim
ze sposobem prowadzenia zgazowania,
głównie kontrolą ciśnienia wewnątrz
kawerny reakcyjnej. Przy zapewnieniu
prowadzenia procesu PZW pod ciśnieniem
b)
niŜszym od ciśnienia hydrostatycznego
otoczenia,
mamy
do
czynienia Rys. 2. Przykłady niewłaściwego (a) i właściwego (b) wyboru
z napływem wody do wnętrza reaktora miejsca i sposobu prowadzenia procesu podziemnego zgazowania
i eliminacją migracji zanieczyszczeń do węgla
górotworu otaczającego reaktor.
W ten sposób uboczne produkty reakcji zgazowania wyprowadzane są wraz z produktem gazowym na
powierzchnię, gdzie następuje ich separacja z gazu i neutralizacja. Przykłady właściwych i niewłaściwych
praktyk realizacji procesu PZW przedstawiono na rysunku 2. (KK)
Materiały źródłowe:
• Burton E. i in. (2006): Best practices in underground coal gasification, Lawrence Livermore National Laboratory
• GasTech (2007): Viability of Underground Coal Gasification in the “Deep Coals” of the Powder River Basin
• Liu S., Li J., Mei M., Dong D. (2007): Groundwater pollution from underground coal gasification.
J China Univ Mining & Techno, vol. 17, str. 0467-0472
• Sury M., i in.. (2004): Review of environmental issues of underground coal gasification – best practice. DTI Report
No. COAL R273 DTI/Pub URN 04/1881, 2004
• Walters E.A., Niemczyk T.M. (1984): The effect of underground coal gasification on ground water. US EPA;
EPA-600/S2-84-123
4