Mateusz Babiarz, Jarosław Zuwała, Marek Ściążko INSTYTUT CHEMICZNEJ PRZERÓBKI WĘGLA 1/30

Transkrypt

1 IMPLEMENTACJA CIŚNIENIOWEGO SPALANIA TLENOWEGO WĘGLA W ZINTEGROWANYM UKŁADZIE ENERGOTECHNOLOGICZNYM WYTWARZANIA GAZU SYNTEZOWEGO DO PRODUKCJI METANOLU Mateusz Babiarz, Jarosław Zuwała, Marek Ściążko INSTYTUT CHEMICZNEJ PRZERÓBKI WĘGLA 1/30

2 1.WPROWADZENIE 2.CELE PRACY PLAN PREZENTACJI 3.OPIS STRUKTURY ZINTEGROWANEJ 4.METODYKA PRACY 5.ZAŁOŻENIA I WYNIKI OBLICZEŃ SYMULACYJNYCH 6.PODSUMOWANIE 7.LITERATURA 2/30

3 WPROWADZENIE Technologie zgazowania węgla głównie w cyklu kombinowanym będą zyskiwać coraz większe znaczenie w rozwoju energetyki na śwecie. Jednocześnie, mającnauwadzewymogidotyczące y ą ograniczenia emisjico 2 towarzyszącego procesom wytwarzania energii i procesom technologicznym należy zwrócić uwagę na rozwój technologii umożliwiających wychwyt ditlenku węgla i przygotowywanie go do sekwestracji. Jedną z takich technologii jest spalanie tlenowe, czyli oksy spalanie. W prezentacji rozwinięto koncepcję połączenia układu IGCC ze zgazowaniem węgla kamiennego w reaktorze ze złożem fluidalnym z jednoczesnym tlenowym spalaniem powstałego karbonizatu w kotle CFB na parametry nadkrytyczne. Zamodelowany układ energotechnologiczny ukierunkowany jest na produkcję gazu syntezowego do wytwarzania metanolu, a energia elektryczna wytwarzana jest praktycznie wyłącznie napotrzeby własne. 3/30

4 CELE PRACY Określenie ilości produkowanego gazu syntezowego o skorygowanym składzie w przeliczeniu na jednostkę zużywanego paliwa stałego, Oszacowanie przybliżonej ilości możliwego do wytworzenia metanolu, Ocena zastosowania metody unikniętych i nakładów paliwowych do alokacji obciążeń środowiskowych w rozważanym ż procesie energotechnologicznym. 4/30

5 Schemat blokowy procesu zgazowania węgla połączonego z tlenowym spalaniem powstałego karbonizatu i sekwestracją CO 2 5/30

6 METODYKA PRACY gdzie: E Nel zużycie energii obciążające wytwarzanie produktu ubocznego [MW]; E el strumień energii elektrycznej [MW] zgodnie z przyjętą zasadą uniknięcia nakładów paliwowych; E(el)z sprawność procesu zastąpionego produkcji energii elektrycznej przyjęto wartość 0,38; E ngaz zużycie energii obciążające ą wytwarzanie produktu głównego g [MW] strumień energii chemicznej gazu [MW]; Esk sprawność energetyczna procesu skojarzonego. 6/30

7 ZAŁOŻENIA I WYNIKI OBLICZEŃ SYMULACYJNYCH 7/30

8 Właściwości węgla Wieczorek 1 oraz karbonizatu wykorzystanych w obliczeniach symulacyjnych Parametr Węgiel Karbonizat % mas. % mas. C a 70,9 72,2 H a 4,1 1,1 N a 1,1 1,3 O a 7,7 1,5 S a t 0,5 0,7 W a 60 6,0 11 1,1 A a 9,7 22,1 8/30

9 Skład gazu syntezowego oczyszczonego o skorygowanym składzie oraz skład spalin wilgotnych z oksyspalania karbonizatu Składnik Skład gazu syntezowego Skład spalin wilgotnych z oksyspalania % obj. % obj. H 2 63, ,0 N 2 0,6 0,7 O 2 0,0 6,8 H 2 O 0,3 8,2 CO 30,3 0,0 CO 2 3,2 81,6 SO 2 0,0 0,3 CH 4 0,5 0,0 Ar 1,5 2,4 9/30

10 Bilans mocy elektrycznej oraz parametry wytwarzanej pary wodnej Moc Układ z Układ bez elektryczna ee CCS CCS Jednostka N B 1,355 1,355 MW N W 1,338 1,286 MW P uż 0,017 0,069 MW uż Parametry wytwarzanej pary wodnej Temperatura 620 o C Ciśnieniei i 30 MPa 10/30

11 Zestawienie strumieni masowych i energetycznych oraz wartości opałowych paliwa, gazu syntezowego i metanolu Parametr Oznaczenie Wartość Jednostka Strumień masowy węgla m w 1000,0 kg/h Wartość opałowa węgla Q w 28,050 MJ/kg /g Strumień użytecznej energii węgla E w 7,792 MW Strumień masowy gazu syntezowego m gaz 697,6 kg/h Wartość opałowa gazu syntezowego Q gaz 20,190 MJ/kg Strumień użytecznej energii gazu syntezowego E gaz 3,912 MW Strumień tlenku węgla m CO 490,7 kg/h Strumień masowy metanolu (*) m met 555,7 kg/h Wartość opałowa metanolu (*) Q met 19,900 MJ/kg Strumień użytecznej energii metanolu (*) E met 3,072 MW Strumień energii obciążającej wytwarzanie gazu syntezowego E Ngaz 9,869 MW 11/30

12 Sprawności energetyczne procesów: granicznego, skojarzonego oraz wytwarzania produktu głównego bez operacji usuwania CO 2 (A) oraz usuwaniem i sprężaniem CO 2 (B) Parametr Ozn. Brak CCS CCS Netto Brutto Netto Brutto Jedn. Strumień energii charakteryzujący elektryczność E el 0,069 1,355 0,017 1,355 MW Sprawność energetyczna procesu granicznego zastąpionego przez wytworzenie energii elektrycznej w układzie własnym Zużycie energii obciążające t i lkt ś i η E(el)z 0,38 0,38 0,38 0,38 E(el)z E 0,182 3,566 0,045 3,566 MW wytwarzanie elektryczności Nel Sprawność energetyczna procesu skojarzonego Sprawność energetyczna cząstkowa wytwarzania produktu głównego g gazu syntezowego η Esk 0,40 0,57 0,40 0,57 η gaz 0,50 0,50 0,50 0,50 12/30

13 Zestawienie porównawcze wskaźników E CO2 emisji CO 2 oraz zużycia energii chemicznej paliwa (węgla kamiennego lub gazu ziemnego) P pal w przeliczeniu na jednostkę wytwarzanej energii elektrycznej i energii chemicznej (szacowanej) metanolu Wskaźnik/ Konfiguracja Zintegrowany układ oksyspalania i zgazowania z usuwaniem i sprężaniem CO 2 + wytwarzanie gazu do syntezy metanolu Zintegrowany układ Wt Wytwarzanie oksyspalania energii i zgazowania elektrycznej bez usuwania w procesie i sprężania CO 2 zastępowanym + wytwarzanie (elektrownia gazu do syntezy systemowa) (*) metanolu Wytwarzanie metanolu z gazu ziemnego E CO2 [t/mwh el ] netto 0,010 0,107 0,880 E CO2 [t/gj met ] 0,015 0,164 0,020 P pal [GJ pal /MWh el ] netto 4,6E 04 4,6E 04 9,474 P pal [GJ pal /GJ met ] 2,537 2,537 1,741 13/30

14 PODSUMOWANIE Modelowany układ energotechnologiczny zapewnia otrzymanie z 1 t węgla kamiennego ok. 700 kg (1294 Nm 3 ) czystego gazu syntezowego o składzie skorygowanym w sposób umożliwiający zastosowanie go do syntezy ok. 556 kg metanolu Z wyników zamieszczonych w tabeli 3 można wnioskować, że teoretycznie układ byłby samowystarczalny pod względem zużycia energii elektrycznej, ponadto dzięki skojarzeniu odnotowuje się oszczędność energii chemicznej paliwa Emisja jednostkowa CO 2 na jednostkę wytwarzanej elektryczności, zużywanej na potrzeby własne jest kilkukrotnie niższa niż w przypadku procesu zastępowanego Elementem niekorzystnym jest fakt, że zarówno spalanie tlenowe jak i zgazowanie węgla za pomocą CO 2 nie są jak dotąd procesami wdrożonymi w warunkach przemysłowych 14/30

15 LITERATURA Aldrich R., Xavier Llauró F., Puig J., Mutjé P., A`ngels Pe`lach M.: Allocation of GHG emissions in combined heat and power systems: a new proposal for considering inefficiencies of the system. Journal of Cleaner Production 2011; (19): pp Australian Methanol Company Pty Ltd, Methanol Plant and Product Export, Burrup Peninsula, Environmental Protection Authority Perth, Western Australia Bulletin 1075 November 2002, ISBN Azapagic A., Clift R.: Allocation next term of environmental burdens in multiple function systems. Journal of Cleaner Production 1999; (7): pp Chmielniak T., Tatarczuk A., Materiały VIII Warsztatów Modelowanie przepływów wielofazowych w układach termochemicznych, Wieżyca k/gdańska, , 17 González, J.M. Sala, I. Flores, L.M. López. Application of thermoeconomics to the allocation of environmental loads in the life cycle assessment of cogeneration plants. Energy 2003; (28): pp Guinee J.B.: Handbook on Life Cycle Assessment. Kluwer Academic Publishers, Dodrecht 2002 Kiga T. Australia Japan and Australia Partnership on Coal Technology Related to JCOAL. Australia Japan Coal Technology Workshop Friday 26 June 2009 Brisbane 15/30

16 LITERATURA Kotowicz J., Iluk T.: Układy gazowo parowe zintegrowane ze zgazowaniem. Rynek Energii 2008; 76(3):34 40 Kotowicz J., Skorek Osiowska A., Bartela Ł.: Economic and environmental evaluation of selected advanced power generation technologies. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part A: Jorunal of Power and Energy 2011; 225(3): Kotowicz J., Sobolewski A., Iluk T, Matuszek K.: Zgazowanie biomasy w reaktorze ze złożem stałym. Rynek Energii 2009; 81(2):52 58 Laudyn D., Pawlik M., Strzelczyk F.: Elektrownie, Wydawnictwo WNT RaportNationalEnergy Technology Laboratory:KRW GasifierIGCC basecases. PED IGCC , US Department of Energy 2000 Raport National Energy Technology Laboratory: Shell Gasifier IGCC base cases. PED IGCC , US Department of Energy 2000 Rosen M.A.: Allocating carbon dioxide emissions from cogeneration systems: descriptions of selected output based methods. Journal of Cleaner Production 2008; (16): pp Sobolewski A., Kotowicz J., Iluk T., Matuszek K.: Badania eksperymentalne zgazowania biomasy pod kątem wykorzystania gazu procesowego w układzie kogeneracji. Przemysł Chemiczny 2010; 89(6): /30

17 LITERATURA Szargut J.: Analiza termodynamiczna i ekonomiczna w energetyce przemysłowej. WNT, Warszawa 1983 Tatarczuk A., Zapart L., Dreszer K., Ściążko M.: Modelowanie procesowe i ekonomiczne wytwarzania metanolu poprzez zgazowanie węgla kamiennego. Przemysł Chemiczny 2010, 89/6 Zuwała J., Babiarz M., Ściążko M.: Zintegrowany układ oksyspalania i zgazowania węgla. Rynek Energii 2011, 3(94): Zuwała J., Kolarz E., Zapart L.: Opracowanie modeli procesowych i ekonomicznych układów spalania węgla w kotłach pyłowych na parametry nadkrytyczne bez oraz z usuwaniem CO 2. Opracowanie modeli procesowychi ekonomicznych układów spalania węgla w tlenie i produkcji energii elektrycznej. Sprawozdanie z realizacji tematu nr 1.37, IChPW Zabrze /30

18 INSTYTUT CHEMICZNEJ PRZERÓBKI WĘGLA ul. Zamkowa 1; Zabrze Telefon: Fax: Internet: p NIP: Regon: /30