Czyste technologie węglowe: nowe podejście do problemu

Transkrypt

1 Czyste technologie węglowe: nowe podejście do problemu Prof. dr hab. inż. Wiesław Blaschke * *) Wydział Górnictwa i Geologii, Politcchnika Śląska: Instytut Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią PAN. Artykuł opiniował doc. dr inż. Stanisław Blaszczykowski. Treść: W artykule omówiono pierwszy etap technologii czystego węgla - oczyszczanie węgla przed spalaniem. Opisano procesy klasycznego wzbogacania oraz procesy głębokiego wzbogacania. Zwrócono uwagę na problem produktów pośrednich i odpadowych wydzielanych w procesach przeróbki węgla surowego. Stwierdzono, że rozważając problemy jakości koncentratów węglowych należy równolegle rozpatrywać problemy parametrów jakościowych produktów odpadowych. Parametry te wpływają w znacznym stopniu na kierunki ich zagospodarowania. Słowa kluczowe: czyste technologie węglowe, wzbogacanie węgla. jakość odpadów 1. Wprowadzenie Program Technologii Czystego Węgla realizowany jest w wielu krajach i ma na celu opracowanie nowych i udoskonalenie znanych technologii w całym cyklu użytkowania węgla. Celem programu jest takie przygotowanie węgla przed spalaniem, a następnie jego spalanie, aby dotrzymać coraz ostrzejsze limity emisji zanieczyszczeń do środowiska. Program realizowany w USA obejmował także zagadnienia prawne, inwentaryzację prowadzonych i zakończonych prac badawczych, a także przygotowanie nowych projektów badawczych, które uwzględniać będą cały cykl wdrożeniowy (od projektu badań aż po upowszechnianie wyników) [1 5]. Utworzenie programu w USA (pierwszy kraj realizujący program Clean Coal Technology) związane było z wprowadzeniem dość restrykcyjnej ustawy dotyczącej czystości powietrza. Ustawa ta zmieniła optykę kompleksu paliwowo-energetycznego zwłaszcza w przemyśle produkującym energię elektryczną. Rozwiązać trzeba było wiele problemów. Wymienić należy najważniejsze: kilkakrotne zmniejszenie emisji SO 2 zminimalizowanie kosztów kapitałowych i eksploatacyjnych, zmniejszenie opłat dla konsumentów, zmaksymalizowanie zysków udziałowców, utrzymanie regularnej podaży paliwa, uniknięcie wysokich kosztów transportu, zapobieżenie utraty pracy w lokalnych kopalniach, doskonalenie pracy zakładów, utrzymanie kontroli nad zagospodarowaniem odpadów, stworzenie nowych metod wykorzystania odpadów. Zabezpieczono środki finansowe w wysokości kilkunastu miliardów dolarów. Program został opracowany w sposób kompleksowy i podzielony na trzy etapy: 1. Oczyszczanie węgla przed spalaniem wraz z przygotowaniem mieszanek węglowych o jakości gwarantującej utrzymanie limitów emisji. 2. Eliminacja szkodliwych domieszek węgla w trakcie spalania przez doskonalenie metod spalania. 3. Oczyszczanie spalin. Każdy z etapów zawierał kilkaset zadań badawczych oraz zamierzeń i działań wdrożeniowych. Analizowano możliwości osiągnięcia celów końcowych wykorzystując potencjalne możliwości każdego z etapów. Uznano, że tylko równoległe stosowanie osiągniętych rezultatów w poszczególnych etapach może dać zadowalające efekty przy najniższych nakładach. Program Technologii Czystego Węgla był nakierowany przede wszystkim na poprawę jakości węgla kierowanego do dalszego użytkowania. Skupiono się na pierwszym etapie oczyszczania węgla przed spalaniem. Etap ten to doskonalenie procesów wzbogacania węgla. Analiza źródeł literaturowych pokazała, że pierwszy etap został skutecznie zrealizowany. W USA do spalania nie kieruje się węgla 1

2 surowego (niewzbogaconego). Prowadzone są prace nad tzw. głębokim wzbogacaniem węgla (koncentraty o zawartości kilku procent popiołu) oraz badaniem skutków technologicznych a zwłaszcza ekonomicznych użytkowania ultraczystego węgla. W naszym kraju nie realizowano podobnego programu obejmującego wspomniane trzy etapy [6, 9]. Energetyka nadal spala węgle zawierające znaczny udział kamienia, łupków czy przerostów. Potocznie można powiedzieć, że energia nadal produkowana jest z brudnego a nie z czystego węgla [15]. Założenia polityki energetycznej Polski do 2030 r. (trwają prace nad ostatecznym jej kształtem) przewidują znaczną poprawę sprawności wytwarzania energii. Jedną z możliwości poprawy sprawności jest przestawienie krajowej energetyki na spalanie czystych węgli. 2. Przygotowanie czystych węgli do spalania Etap pierwszy Technologii Czystego Węgla to oczyszczanie węgla przed spalaniem oraz przygotowanie mieszanek węglowych [ ]. Procesy te mają na celu wyprodukowanie paliwa węglowego o jakości gwarantującej dotrzymanie limitów emisji polutantów. Na tym etapie realizowane są też działania pozwalające na otrzymywanie stosunkowo czystych węgli. Do nich zalicza się; prowadzenie procesów eksploatacji węgla w sposób minimalizujący kierowanie odpadów (przybierka stropu lub spągu) do urobku węglowego. Stosuje się też selektywne mielenie (kruszenie), pozwalające na uwolnienie wpryśnięć kamiennych a zwłaszcza pirytowych w ziarnach węgla kamiennego. W etapie tym wymienić należy następujące działania: czysta eksploatacja węgla, wzbogacanie węgla, uśrednianie parametrów jakościowych, selektywne mielenie, tworzenie mieszanek węglowo-wapiennych. Rozpatrzmy działania polegające na przeróbce mechanicznej i wzbogacaniu węgla. Podzielić je można na procesy klasycznego wzbogacania i głębokiego wzbogacania. 2.1 Procesy klasycznego wzbogacania węgla Metody klasycznego wzbogacania węgla stosowane są w zakładach przeróbczych. gdzie z urobku węglowego usuwane są ziarna skały płonnej i wysokopopiołowych przerostów. Najczęściej procesy te nazywane są odkamienieniem węgla. Stosowane są metody grawitacyjne oraz fizykochemiczne. Metody te dzieli się na wzbogacanie: w separatorach z cieczą ciężką, w osadzarkach, w cyklonach z cieczą ciężką, w separatorach zwojowych (spirale), flotacyjne. Stopień oczyszczenia z popiołu i siarki koncentratu (wzbogaconego węgla) jest różny dla różnych kopalń i zakładów przeróbczych. Z jednej strony zależy to od żądań jakościowych użytkowników węgla. W umowach kupna/sprzedaży zapisuje się;. jakie parametry jakościowe węgla będą przedmiotem obrotu. Bardzo często. aby dotrzymać umownych parametrów. urobek jest płytko wzbogacany i trafiają tam pewne ilości przerostów, a nawet skały płonnej. Z drugiej strony. zależy to od właściwości technologicznych węgla surowego. tzn. od sposobu związania domieszek mineralnych z masą organiczna węgla oraz od procentowego udziału siarki organicznej i siarki pirytowej. Poszczególnym metodom wzbogacania poddawane są ziarna różnej wielkości (wymiarów). Można, upraszczając zagadnienie, stwierdzić, że najgrubsze klasy ziarnowe wzbogacane są w separatorach z cieczą ciężką. a najdrobniejsze metodą flotacyjną. 2

3 Po wzbogacaniu otrzymuje się najczęściej dwa produkty: koncentrat (frakcje węglowe) i produkt nazywany popularnie, choć niezbyt poprawnie, odpadami (frakcje skały płonnej). W zależności od stosowanej metody otrzymuje się odpady o mniejszej lub większej ziarnistości. Ma to oczywiście wpływ na ich późniejsze zagospodarowanie Głębokie wzbogacanie węgła Procesom głębokiego wzbogacania poddawane są węgle surowe o dobrych parametrach jakościowych oraz koncentraty węglowe uzyskane na drodze klasycznego wzbogacania. Węgle (surowe lub koncentraty) kierowane są do kruszenia w celu rozluzowania (uwolnienia) drobnych i bardzo drobnych wpryśnięć ziarn skały płonnej, w tym także bardzo drobno uziarnionych pirytów. Głębokie wzbogacanie węgla ma na celu przygotowanie ultraczystych koncentratów węglowych. Stosowane tu są metody fizyczne, fizykochemiczne. chemiczne. biologiczne. Metody te można podzielić na: wzbogacanie elektrostatyczne, wzbogacanie metoda flokulacji selektywnej, aglomerację oraz aglomerację selektywną, ługowanie bakteryjne ( wzbogacanie biologiczne), wzbogacanie chemiczne (ługowanie). Metody te są znane, choć niektóre wymagają utrzymania ściśle określonego reżimu technologicznego, a także stosowania odczynników o odpowiednich właściwościach (a te są najczęściej tajemnicą firmową producentów). Głębokie wzbogacanie węgla nie jest w Polsce stosowane w warunkach przemysłowych. Było natomiast badane w kilku ośrodkach uczelnianych i naukowo-badawczych. Po wzbogacaniu otrzymuje sic produkty o bardzo dużej czystości a także produkty pośrednie o dużej zawartości pierwiastka węgla. Zagospodarowanie produktów pośrednich może być dość złożone i trudne. Takich prac w zasadzie w naszym kraju nie prowadzono. 3. Problem produktów pośrednich i odpadowych Wzbogacanie urobku węglowego skutkuje wytwarzaniem produktów. które nie mogą być wykorzystywane w procesach otrzymywania energii. Wydziela się je zresztą po to, aby nie trafiały do procesów spalania, gdyż byłoby to nonsensem technologicznym i ekonomicznym. Głównymi przyczynami powstawania odpadów poprzeróbczych są: wyczerpywanie się pokładów węgla o niskim zanieczyszczeniu, zanieczyszczanie urobku podczas urabiania i transportu pod ziemią, zwiększenie udziału węgla mechanicznie wzbogaconego, wzrastające wymagania użytkowników co do jakości węgla. Wydzielane w procesach przeróbczych produkty odpadowe są, w zależności od zastosowanej metody wzbogacania, o różnym uziarnieniu. Wspomniano o tym w rozdziale 2. W zależności od uziarnienia mogą one być wykorzystywane jako surowce mineralne w różnych gałęziach przemysłu [13]. Generalnie rozróżnia się gruboziarniste materiały uzyskiwane podczas wzbogacania grawitacyjnego oraz materiały drobnoziarniste wydzielane w procesach wzbogacania flotacyjnego. W niniejszej pracy nie analizuje się produktów mineralnych otrzymywanych podczas głębokiego wzbogacania. Autor nie spotkał publikacji poruszających to zagadnienie. Kierunki wykorzystania odpadów (surowców mineralnych) powstałych po wzbogacaniu grawitacyjnym pokazano na rysunku 1. Natomiast odpady (surowce mineralne) wydzielone podczas wzbogacania flotacyjnego mogą być zagospodarowane w technologiach pokazanych na rysunku 2. Kierunki zagospodarowania produktów odpadowych omawiane są szerzej w innych artykułach zamieszczonych w zeszycie nr 10/2009 Przeglądu Górniczego. 3

4 Rys. 1. Kierunki wykorzystania odpadów po wzbogacaniu grawitacyjnym węgla kamiennego Rys. 2. Kierunki wykorzystania odpadów po wzbogacaniu flotacyjnym węgla kamiennego 4. Nowe podejście do Technologii Czystego Węgla Rozważania dotyczące programu Technologii Czystego Węgla prowadzone są głównie pod kątem możliwości otrzymywania różnej jakości koncentratów węglowych. Od parametrów jakościowych produktów wzbogacania zależeć będą rozwiązania sposobów użytkowania czystych węgli. Dobierane będą układy nawęglania w elektrowniach, kotły o odpowiednich parametrach gwarancyjnych, urządzenia do odpylania i odsiarczania spalin, zagospodarowanie odpadów z procesów spalania. Rzadko prowadzone są rozważania co do jakości odpadów (surowców mineralnych) powstających w pierwszym etapie technologii czystego węgla. Bada się i szuka kierunków zagospodarowania rzeczywiście wydzielonych w zakładach przeróbczych odpadów. Parametry jakościowe produktów odpadowych są bardzo różne. W tablicy 1 zestawiono informacje o ilościach i jakości produktów przeróbczych (koncentratów i odpadów) przy założeniu, że w procesach wzbogacania rozdział na te produkty będzie prowadzony przy gęstości rozdziału równej 1,8 g/cm 3. Gęstość ta pozwala na usunięcie ziarn kamienia, choć może to być różnie w węglach z różnych kopalń czy pokładów. We wspomnianej tablicy 1 zestawiono na podstawie krzywych wzbogacalności (krzywe charakterystyki technologicznej węgla surowego) informacje z przykładowych 16 kopalń węgla kamiennego. Obliczono, na podstawie analiz densymetrycznych, wychody koncentratu i odpadów a także zawartości popiołu w koncentratach i odpadach oraz zawartość siarki w odpadach. Nie zamieszczono dla koncentratów zawartości siarki i wartości opałowych, gdyż przedmiotem zainteresowań były odpady. Jak łatwo zauważyć parametry jakościowe (zawartość popiołu) koncentratów spełniają warunki produkcji czystych węgli. Tej jakości produkty nie są w zasadzie użytkowane w energetyce. Przyczyny nie są przedmiotem niniejszego artykułu. Omówione były w pracach [7, 8, 9, 10]. 4

5 Tablica 1. Ilości odpadów powstających przy wzbogacaniu miałów węglowych (wydzielanie ziarn kamienia przy gęstości rozdziału 1,8 g/cm 3 ) Nr KWK Zawartość popiołu węglu surowym Zawartość popiołu w koncentracie Wychód odpadów Zawartość popiołu w odpadach Zawartość siarki w odpadach [%] 1 34,69 11,03 38,30 73,94 0, ,61 14,88 36,01 64,21 2, ,27 9,14 37,34 70,24 0, ,53 8,82 34,10 75,87 0, ,64 5,75 28,90 75,71 0, ,55 7,76 28,10 73,43 1, ,00 10,70 24,38 68,37 1, ,93 10,41 28,10 63,02 1, ,43 6,81 27,40 68,98 1, ,36 6,33 25,37 74,99 2, ,02 7,31 26,90 69,11 0, ,73 7,54 26,65 65,83 5, ,02 8,94 17,34 74,28 1, ,46 8,86 17,69 71,05 1, ,78 10,35 9,11 71,90 2, ,25 6,70 10,32 71,80 3,22 Zwrócić należy uwagę na parametry jakościowe surowców mineralnych odpadowych. Zaskakująco duże jest zróżnicowanie zawartości siarki (od 0,31 do 5,25%), zawartości popiołu też wynoszą około 12%. Trzeba pamiętać, że te parametry jakościowe w znacznym stopniu wpływają na kierunki zagospodarowania produktów. Przy projektowaniu Technologii Czystego Węgla należy więc kierować się nie tylko jakością koncentratów, lecz także jakością odpadów. Może zachodzić konieczność wtórnego wzbogacania odpadów, aby dopasować parametry jakościowe do wymagań użytkowników tych surowców mineralnych. Należy też zwrócić uwagę na to, że zestawione w tablicy 1 parametry jakościowe otrzymano na podstawie krzywych wzbogacalności. W rzeczywistości, w warunkach przemysłowych, rezultaty będą się (czasami znacznie) różnić. Parametry jakościowe pokazywane są poprzez krzywe wzbogacania. Krzywe te różnią się od krzywych wzbogacalności, a także pomiędzy sobą, w zależności od dokładności procesów wzbogacania. Tę dokładność określa się wskaźnikami imperfekcji lub rozproszenia prawdopodobnego. Nie rozwijając zagadnienia, (omówiono to w pracach [18, 19]), stwierdzić należy, że koncentraty uzyskiwane w procesach przemysłowego wzbogacania będą gorszej jakości niż wynikałoby to z krzywych wzbogacalności, natomiast odpady będą posiadały mniejszą zawartość popiołu i siarki. Analizując problemy związane z przemysłowym wdrożeniem Technologii Czystego Węgla należy zagadnienie to rozpatrywać w sposób kompleksowy. Oznacza to, że badać należy zarówno jakość koncentratu, jak i jakość odpadów. Może to mieć istotne znaczenie dla uzgodnienia kierunków wykorzystania węgla a także kierunków zagospodarowania surowców mineralnych nazywanych odpadami. 5. Podsumowanie Program Technologii Czystego Węgla, realizowany w ramach pierwszego etapu Precombustion nastawiony był przede wszystkim na otrzymywanie koncentratów o jakości gwarantującej dotrzymywanie limitów emisji polutantów do środowiska. Sprawą wtórną była jakość produktów odpadowych, które wykorzystywane powinny być jako surowce mineralne. Podczas wzbogacania węgla otrzymuje się, poza koncentratami, produkty nazywane potocznie odpadami o różnej wielkości ziarn a także o różnych parametrach jakościowych. Właściwości te decydować będą w znacznym stopniu o sposobie zagospodarowania tych produktów. Problemy, o których jest mowa w niniejszym artykule, są przedmiotem badań i analiz w ramach, realizowanego przez Instytut Mechanizacji Budownictwa i Górnictwa Skalnego, Wydział Górnictwa i 5

6 Geologii Politechniki Śląskiej i Wydział Górnictwa i Geoinżynierii Akademii Górniczo-Hutniczej, foresightu w zakresie priorytetowych i innowacyjnych technologii zagospodarowania odpadów pochodzących z górnictwa węgla kamiennego [17]. Rozwiązując problemy poprawy efektywności energetycznej (priorytet I) oraz problemy ograniczania oddziaływania energetyki na środowisko (priorytet VI, działania 6.10), zawarte w Programie działań wykonawczych projektu Polityki energetycznej Polski do 2030 r., [16] należy zdaniem autora wykonać prace obejmujące zagadnienia technologii czystego węgla i uwzględniające także prognozowanie parametrów jakościowych odpadów (surowców mineralnych) pochodzących z procesów przeróbki i wzbogacania węgla. Literatura 1. Womack E. A.: Unitced States Clean Coal Technologies. Asia Pacific Coal Technology Conference, Honolulu, Hawaii Clean Coal Technology Demonstration Program. Program Update U.S., Department of Energy. February Sablik J.: Technologia czystego węgla amerykański program przeciwdziałania skażeniu powietrza w wyniku utylizacji węgla w energetyce. Prz. Gór. 1991, nr Blaschke W.: Technologie czystego węgla. Przygotowanie czystego węgla do spalania. Mat. Symp. Kierunki modernizacji górnictwa. Zeszyt IV. Wyd. Centrum PPGSMiE PAN, Kraków, Blaschke W.: Technologie czystego węgla. Energetyka nr 2, Blaschke W., Mokrzycki E., Blaschke S. A., Grudziński Z., Lorenz U.: Clean Coal Technology in Poland Problem of Pre-combustion Coal Benefication Proceedings. 5 th International Energy Conference - Energex 93. Volume IV. Wyd. Korea lnstitute of Energy Research. Seoul. Korea Blaschke W., Nycz R.: Clean Coal Preparation Barriers in Poland. Proceedings International Workshop on Clean Coal Use a Reliable Option for Sustainable energy. Vol. 1. Wyd. GIG. Szczyrk Blaschke W., Nycz R.: Clean Coal Preparation Barriers in Poland. Proceedings 9 th International Energy Conference Energex Applied Energy. Vol. 74. Elsevier science Ltd Blaschke W., Nycz R.: Problemy produkcji czystych energetycznych węgli kamiennych. Zesz. Nauk. Pol. Koszalińskiej. Inżynieria Środowiska. No. 21, Koszalin Blaschke W., Nycz R.: Przeróbka mechaniczna pierwszym etapem technologii czystego węgla. Inżynieria Mineralna. Vol. VIII. No. 1 (19), Kraków Blaschke W.: Technologie Czystego Węgla rozpoczynają się od jego wzbogacania. Polityka Energetyczna. Tom 11. z. 2. Kraków Blaschke W.: Technologie Czystego Węgla w Polsce, cz. 1 i cz. 2. Nowy Kurier. Polish-Canadian Independent Courier. No. 15 i No. 16. Toronto Blaschke W., Góralczyk S.: Czyste technologie węglowe problem odpadów. Ekologia Przemysłowa. Nr 3. Katowice Blaschke W.: Oczyszczanie węgla przed spalaniem pierwszym etapem Programu Technologii Czystego Węgla. Szkoła Eksploatacji Podziemnej Sympozja i Konferencje nr 74. Wyd. Inst. GSMiE PAN. Kraków Blaschke W.: Wytwarzanie energii z czystego czy z brudnego węgla. Rozdz. w książce Zagadnienia energii w polityce gospodarczej przygotowywanej do druku pod redakcja prof. dr hab. J. Terajkowskiego. Akademia Ekonomiczna w Poznaniu. 16. Polityka energetyczna Polski do 2030 roku oraz Załącznik 3. Program działań wykonawczych na lata Ministerstwo Gospodarki. Warszawa marzec Foresight w zakresie priorytetowych i innowacyjnych technologii zagospodarowania odpadów pochodzących z górnictwa węgla kamiennego. Studium wykonalności projektu. Instytut Mechanizacji Budownictwa i Górnictwa Skalnego. Warszawa lipiec Blaschke W. Tarnawska K.: Wpływ dokładności wzbogacania w zakładach przeróbczych na wyniki ekonomiczne kopalń węgla kamiennego. Polityka Energetyczna. Tom 10. Zeszyt specjalny 2, Kraków Blaschke W., Nguyen Thi Thuy Linh. Czarny G.: Ekonomiczne kryterium wyboru sposobu wzbogacania miałów węgla koksowego. Polityka Energetyczna. Tom 12. Nr 2, Kraków