WYKORZYSTANIE WĘGLA W UKŁADACH POLIGENERACYJNYCH W ZGAZOWANIU

Transkrypt

1 WYKORZYSTANIE WĘGLA W UKŁADACH POLIGENERACYJNYCH W ZGAZOWANIU dr inż. Lucyna Więcław-Solny dr inż. Tomasz Chmielniak Instytut Chemicznej Przeróbki Węgla w Zabrzu 1/38

2 Stan rozwoju komercyjnych technologii zgazowania 2/38

3 Porównanie stanu istniejących technologii zgazowania na świecie w latach 2007 i 2010 Paliwo Stan na rok 2010 (operating, construction, start-up) Stan na rok 2007 (operating, construction, start-up) % Węgiel Pozostałości naftowe MWth Plants MWth Plants Koks naftowy MWth Plants 3 5 Biomasa/Odpady MWth Plants Sumarycznie MWth Gasifiers Plants źródło: Worldwide Gasification Database (Excel file); available at technologies/coalpower/gasification/worlddatabase/index.html 3/38

4 Syngas, MWth Planing Construction Operating Syngas, MWth Planing Construction Operating Coal Biomass/Waste Petcoke Petroleum Entrained Bed Fluized Bed Fixed Bed Syngas, MWth Planing Construction Operating Chemicals Gaseous fuels Liquid fuels Power Sumaryczna wydajność reaktorów zgazowania w zależności od: stosowanego paliwa, wytwarzanego produktu oraz głównych grup technologii zgazowania (stan obecny i prognozowany do roku 2016) źródło: Worldwide Gasification Database (Excel file); available at technologies/coalpower/gasification/worlddatabase/index.html 4/38

5 Konstrukcje reaktorów zgazowania 5/38

6 Przydatność technologii zgazowania dla rożnych węgli Rodzaj węgla Technologia Antracyt Kamienny duża zaw. części lotnych Kamienny mała zaw. części lotnych Brunatny Popiół >30% Zaw. miału >30% Lurgi/British Gas (BG) Winkler (HTW) złoże stałe fluidalny ) SHELL, Prenflo dyspersyjny/ suchy Texaco dyspersyjny/ zawiesina E-gas dyspersyjny/ zawiesina nieprzydatny, 1 przydatny, 2 doskonały źródło: E. Suppe; How to Produce Methanol from Coal. Springer-Verlag, /38

7 Planing Construction Operating Syngas, MWth Entrained Bed Fluized Bed Fixed Bed Syngas, MWth Shell GE ECUST Siemens MHI 449 Planing Construction Operating Sumaryczna wydajność reaktorów wykorzystujących jako paliwo główne węgiel. A) podział na grupy technologiczne, B) podział na technologie (stan obecny i prognozowany do roku 2016) E-GAS (ConocoPhillips) Uhde PRENFLO GTI U-GAS LP Winkler 141 TRIG (KBR Transport Reactor) Sasol Lurgi Dry Ash żródło: 2010 Worldwide Gasification Database (Excel file); available at technologies/coalpower/gasification/worlddatabase/index.html 7/38

8 Technologie zgazowania w złożu dyspersyjnym Technologia GE Energy/ Texaco Shell Conoco-Philips, E-gas Siemens Fuel Gasification Technology ECUST technology Sposób doprowadzania węgla zawiesina wodnowęglowa pył węglowy zawiesina wodnowęglowa pył węglowy (zawiesina wodnowęglowa) zawiesina wodnowęglowa (pył węglowy) Maks. zużycie węgla 2200 t/d 2000 t/d 2600 t/d 2000 t/d 2000 t/d Czynnik nośny woda 40 % azot woda 40 % azot Woda (azot, CO 2 ) Czynnik zgazowujący tlen 95 % tlen 95 % + para wodna tlen 95 % tlen 95 % + para wodna tlen 95 % + para wodna Temperatura i ciśnienie zgazowania 1480 C, 3 7 MPa C, 2 3 MPa 1450 C, 3 MPa C, 2-3 MPa C, 4-6,5 MPa Sposób schładzania oraz temperatura za I schładzaczem gazu surowego Wymiennik ciepła schładzacz opromieniowany 760 C wtrysk zimniejszego gazu oraz schładzacz 900 C wtrysk paliwa (25 %) do gazu surowego 1040 C natrysk wodny C natrysk wodny C Wartość opałowa gazu, 9,1 MJ/Nm 3 11,6 MJ/Nm 3 10,4 MJ/Nm 3 11 MJ/Nm 3 Bd. Typowy skład gazu, % obj. H 2 CO CO 2 CH <0, <0, <0,1 Slurry [18]* bd. Dry [10] ** bd. 8/38

9 Reaktory zgazowania Gaz Płaszcz Tlen Węgiel Ściana membranowa Komora zgazowania Wymurówka Węgiel/tlen Para wodna Woda Para Gaz syntezowy Chłodzenie wodne Żużel 9/38

10 Sprawność energetyczna instalacji źródło: Cost and Performance Baseline for Fossil Energy Plants, Volume 1: Bituminous Coal and Natural Gas to Electricity; raport DOE/NETL-2007/ /38

11 Koszty instalacji źródło: Cost and Performance Baseline for Fossil Energy Plants, Volume 1: Bituminous Coal and Natural Gas to Electricity; raport DOE/NETL-2007/ /38

12 Instalacje demonstracyjne w energetyce (reaktory przepływowe) 12/38

13 13/38

14 Produkcja energii elektrycznej oraz struktura paliw do jej produkcji ] Energy Efficiency Indicators for Public Electricity Production from Fossil Fuels IEA Information paper, /38

15 Prognozowana struktura zużycia paliw na produkcję energii elektrycznej dla Polski w 2030 r Paliwo 2006 r 2030 r Węgiel kamienny 58 % 36% Węgiel brunatny 34% 21% OZE 3% 18,8% Paliwo jądrowe 0% 15,7% Gaz ziemny 3% 6,6% Produkty naftowe 1% 1,5% Pozostałe 0,5% 0,5% Produkcja energii elektrycznej, TWh 147,7 201,8 źródło: Prognoza zapotrzebowania na paliwa i energię do 2030 r. Załącznik 2 do Projektu Polityki Energetycznej Polski do 2030 r. Ministerstwo Gospodarki /38

16 Technologie Czystego Węgla MECHANICZNA PRZER ÓBKA WĘGLA SPALANIE ZGAZOWANIE PIROLIZA ENERGIA ELEKTRYCZNA CIEP ŁO GAZ SYNTEZOWY DLA CHEMII 16/38

17 Opcje technologiczne En. elektryczna i ciepło CO2 Nowa generacja technologii Powietrze Separacja powietrza Spalanie klasyczne Spalanie w tlenie Zgazowanie Zgazowanie CO2, H2O Separacja CO2 Separacja CO2 En. elektryczna i ciepło Reforming gazu CO2 Reforming gazu N2, O2, H2O CO2, H2O En. elektryczna i ciepło Spalanie Spalanie Synteza chemiczna H2O En. elektryczna i ciepło H20 Metanol Spalanie klasyczne Spalanie w tlenie Poligeneracja IGCC 17/38

18 Układ gazowo-parowy zintegrowany ze zgazowaniem węgla i usuwaniem CO 2 Wariant potencjalny w przypadku wejścia w życie uregulowań prawnych nakładających konieczność usuwania i sekwestracji dwutlenku węgla powietrze TLENOWNIA (ASU) zespół konwersji i oczyszczania gazów Sprężanie CO2 CO2 zespół energetyczny Wegiel surowy UKŁAD PRZYGOTOWANIA WĘGLA para tlen azot REAKTOR ZGAZOWANIA gaz Quench Filtracja Skruber KONWERSJA C O SELEXOL I stopień SELEXOL II stopień gaz TURBINA GAZOWA energia elektryczna zespół zgazowania Zgazowanie: reaktor dyspersyjny (Shell/Siemens/Texaco) Dyspozycyjność: % Układ kondycjonowania gazu CLAUS SCOT siarka HRSG para TURBINA PAROWA Konwersja CO parą wodną (97%) Dwustopniowy proces absorpcji H 2 S i CO 2 : SELEXOL (siarka 99,7%; CO 2 90%) Odzysk siarki: CLAUS/SCOT 18/38

19 Koszty wytwarzania energii elektrycznej IGCC Koszty elektryczności, zł/mwh IGCC bez CCS IGCC z CCS IGCC bez CCS + koszty EUA IGCC z CCS + koszty EUA 19/38

20 Koszty wytwarzania energii elektrycznej - IGCC Koszty elektryczności, zł/mwh Koszty kapitałowe Stałe koszty operacyjne IGCC bez CCS Zmienne koszty operacyjne Koszty węgla IGCC z CCS Koszty TS&M CO 2 20/38

21 Koszty wytwarzania energii elektrycznej - IGCC Koszty elektryczności, zł/mwh IGCC bez CCS IGCC z CCS Koszty kapitałowe Stałe koszty operacyjne Zmienne koszty operacyjne Koszty węgla Koszty TS&M CO 2 Koszt uprawnień do emisji CO 2 21/38

22 Warianty technologiczne analizy instalacji poligeneracyjnych Instalacja do produkcji paliw ciekłych Instalacja do produkcji wodoru Istalacja do produkcji metanolu Scenariusze: funkcjonowanie projektu w aktualnych uwarunkowaniach prawnych w zakresie polityki CO 2 (brak konieczności zakupu uprawnień do emisji) zakup 100% uprawnień do emisji CO 2 wariant CCS 22/38

23 Schemat technologiczny instalacji produkcja paliw ciekłych 23/38

24 Koszty wytwarzania paliw silnikowych Koszt paliw silnikowych, zł/mg FT bez CCS FT z CCS FT bez CCS + koszty EUA FT z CCS + koszty EUA 24/38

25 Schemat technologiczny instalacji - wodór 25/38

26 Koszty wytwarzania wodoru Koszty wodoru, zł/mg H2 bez CCS H2 z CCS H2 bez CCS + koszty EUA H2 z CCS + koszty EUA 26/38

27 Schemat technologicznyinstalacji - metanol 27/38

28 Produkcja metanolu z gazu syntezowego ze zgazowania węgla Wyprodukowany z węgla gaz syntezowy służyć może do syntezy metanolu. Surowiec ten nie jest obecnie produkowany w kraju i całość zapotrzebowania wynoszącego ok. 380 tys. Mg/rok pokrywane jest z importu. Uruchomienie w Polsce produkcji metanolu w ilości 500 tys. Mg/rok zabezpieczy rynek krajowy i korzystnie wpłynie na bilans importu. Metanol może również zostać wykorzystany jako dalszy surowiec dla przemysłu chemicznego. Połączenie inwestycji związanej z produkcją gazu syntezowego z nieuniknioną modernizacją gospodarki energetycznej spowoduje obniżenie kosztów wytwarzania zarówno energii jak i gazu i spowoduje wzrost konkurencyjności na rynku obu podmiotów biorących w udział w inwestycji. Wyprodukowany gaz syntezowy stanowić będzie ekwiwalent około 420 mln m 3 drogiego gazu ziemnego. 28/38

29 Koszty wytwarzania metanolu Koszty metanolu, zł/mg MeOH bez CCS MeOH z CCS MeOH bez CCS + koszty EUA MeOH z CCS + koszty EUA 29/38

30 Efektywność ekonomiczna 12% 10% 8% IRR 6% 4% 2% 0% IGCC FT H2 MeOH 30/38

31 Rentowność produkcji - paliwa ciekłe Równoważna cena baryłki ropy naftowej w USD Uzasadniona ekonomicznie przy drogiej ropie naftowej Scenariusz 1 z posiadanymi uprawnieniami do emisji CO2 bez opłat Scenariusz 2 z nakładami na zakup 100% uprawnień do emisji CO2 (39 EUR/t) Scenariusz 3 z nakładami na zakup i montaż instalacji do transportu i składowania CO2 31/38

32 Rentowność produkcji - wodór Równoważna cena gazu ziemnego w zł/ 1000 m 3 Uniezależniająca przemysł chemiczny od niepewności dostaw i cen gazu ziemnego Scenariusz 1 z posiadanymi uprawnieniami do emisji CO2 bez opłat Scenariusz 2 z nakładami na zakup 100% uprawnień do emisji CO2 (39 EUR/t) Scenariusz 3 z nakładami na zakup i montaż instalacji do transportu i składowania CO2 32/38

33 Rentowność produkcji - metanol Równoważna cena gazu ziemnego w zł / 1000m 3 Opłacalna dla wszystkich przyjętych scenariuszy Scenariusz 1 z posiadanymi uprawnieniami do emisji CO2 bez opłat Scenariusz 2 z nakładami na zakup 100% uprawnień do emisji CO2 (39 EUR/t) Scenariusz 3 z nakładami na zakup i montaż instalacji do transportu i składowania CO2 33/38

34 Podsumowanie POLIGENERACYJNY UKŁAD WYTWARZANIA ENERGII ELEKTRYCZNEJ I PRODUKTÓW CHEMICZNYCH oparta na procesach zgazowania węgla umożliwia równoczesną produkcję energii elektrycznej, energii cieplnej i gazu syntezowego; Gaz syntezowy stanowi atrakcyjny surowiec dla przemysłu chemicznego np. produkcja metanolu, paliw płynnych lub wodoru dla dalszych syntez chemicznych; Najkorzystniejszą opłacalnością produkcji charakteryzuje się instalacja wytwarzania metanolu; atrakcyjność ekonomiczna produkcji wodoru jest uzależniona od cen gazu ziemnego, przy aktualnych krajowych cenach gazu ziemnego produkcja wodoru poprzez zgazowanie węgla jest opłacalna; atrakcyjność ekonomiczna przetwarzania węgla na paliwa ciekłe jest uzależniona od cen ropy naftowej - przy cenach ropy naftowej przekraczających 99 USD za baryłkę produkcja paliw ciekłych wykazuje opłacalność ekonomiczną; Dojrzałość przedstawionych technologii zgazowania i syntezy chemicznej pozwala na ich natychmiastowe wdrożenie; Rozwiązania technologiczne elektrowni poligeneracyjnych umożliwiają głęboką redukcję emisji zanieczyszczeń do środowiska; Ukierunkowanie energetyczno-chemiczne daje możliwość efektywnego wykorzystania węgla kamiennego podnosi pośrednio efektywność ekonomiczną górnictwa. 34/38

35 O przydatności gospodarczej W POLSCE POLIGENERACYJNYCH UKŁADÓW WYTWARZANIA ENERGII ELEKTRYCZNEJ I PRODUKTÓW CHEMICZNYCH z węgla, zadecydować powinny: prace analityczne, w tym wielowariantowe analizy ekonomiczne, zainteresowanie firm komercyjnych, systemowe rozwiązania strategiczne, wynikające z planów rozwojowych Polski, uwzględniające uzyskanie właściwej równowagi pomiędzy bezpieczeństwem energetycznym i konkurencyjnością przemysłu, a zrównoważonym rozwojem kraju. 35/38

36 DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ INSTYTUT CHEMICZNEJ PRZERÓBKI WĘGLA ul. Zamkowa 1; Zabrze Telefon: Fax: Internet: NIP: Regon: /38