Redukcja emisji CO 2 system oczyszczania spalin

Transkrypt

1 prof. dr hab.inż. Wojciech NOWAK Redukcja emisji CO 2 system oczyszczania spalin 1 Forum Czystej Energii, POLEKO, Poznań

2 Wyzwania technologiczne Stabilizacja CO2 w atmosferze pojazdy: sprawność, Biopaliwa, wodór, ogniwa Pojedyńcza technologia czy polityka nie rozwiążą problemu Różnice rregiony - zasoby rynki - preferencje skala - technologie wymagania czasowe - infrastruktura Odnawialne źródła energii Budownictwo energooszczędne, przemysł, CHP Biopaliwa i paliwa alternatywne Elektrownie jądrowe IV generacji Sekwestracja CO 2 ) Sieci przesyłowe 2 Canadian Hydrogen Association, 2006

3 Dojrzałość technologiczna CCS Oxyspalanie Wychwytywanie ze spalin IGCC Separacja Mineralna karbonatyzacja Deponowanie w oceanach Wydobycie metanu w kopalniach węgla Złoża gazu i ropy Formacje solne Transport CO2 jako produkt Odzysk ropy Faza badawcza Faza demonstracyjna Ekonomicznie wykonalna pod pewnymi warunkami Dojrzała rynkowo 3 Report Cambridge University Press, 2005

4 Stopniowe ograniczanie emisji CO 2 dzięki Technologii Zielonego Węgla 100% Technologia Zielony Węgiel umożliwia osiągnięcie emisji CO 2 na poziomie elektrowni gazowych Względny poziom emisji CO 2 80% 60% 40% 20% 0% Nowoczesne Nowoczesne podkrytycznenadkrytyczne Stare podkrytyczne Zaawansowane współspalanie biomasy Modernizacja Wychwyt podgrzewu i składowanie wody CO 2 zasilającej IGCC CCGT 4

5 TECHNIKI WYCHWYTYWANIA CO 2 ZE SPALIN Separacja CO 2 po procesie spalania Spalanie w atmosferze tlenowej Separacja CO 2 przed procesem spalania 5 Image source: Vattenfall

6 Koncepcja spalania w tlenie (KONWENCJONALNE) SPALANIE WĘGLA W POWIETRZU vs SPALANIE WĘGLA W TLENIE 6 3

7 obecnie Historia oxy-spalania Spawanie, cięcie Oxy-spalanie przy produkcji szkła, aluminium, w przemyśle cementowym Koncepcja oxy-spalania węgla z recykulacją spalin Instalacje laboratoryjne i pilotażowe 3 MWt EERC/ANY GB 2.5 MWt IFRC Holandia 1.2 MWt IHI Japonia 1.5 MWt B&W USA 0.3 MWt CANMET, Kanada 0.1 MWt CFB CzUT, Polska 0.5 MW Instytut Energetyki, Polska Duże jednostki pilotażowe Kilka projektów demonstracyjnych 7

8 Kraj Projekt Technologia Wychwytywanie CO2 Status Australia Japonia Callide 30 MWe IHI, CBH, Siemens 250 km transportem drogowym Złoża gazu grudzień lat eksploatacji Kanada Saskpower 450 MWe B&W kocioł ALE (O2&CO2) Odzysk ropy Weyburn 2007 Francja Lacq bitumen Paliwo gazowe i ciekłe 30 MWt Alstom (kocioł) ALE (palniki & O2) 150 kt CO2 w wyrobiskach gazu przez 2 lata 2007 Niemcy Vattenfall Schawarze Pumpe 30 MWt węgiel brunatny Alstom (kocioł) Linde (O2&CO2) CO2 (przemysł spożywczy) Wyrobiska gazowe Uruchomienie sierpień 2008 USA Barberton CEDF Ohio 30 MWt B&W AEP American Air Liquide Bez wychwytywania Uruchomienie 2008 USA Jupiter Orville 25 MWe Jupiter Oxygen Corporation 25% gazu przetwórstwo Bez magazynowania Projekt zakończono w

9 Schemat procesu ASU Separacja tlenu z powietrza Recyrkulacja spalin Suszenie spalin powietrze węgiel Gaz wylotowy Prawie czysty CO 2 podane procenty są procentami molowymi Reaktor do separacji CO 2 Hermsdorf 9 i inni. TUHH 2005

10 Spalanie fluidalne w tlenie Kocioł CFB Zalety spalania CFB w tlenie: Elastyczność paliwowa (węgiel kamienny, brunatny, biomasa itd) Paliwo węgiel koks naftowy biomasa Para Niskie emisje bez dodatkowych instalacji Stężenie tlenu w CFB może być wyższe niż w PC. Niższe temperatury w CFB, wyrównany strumień ciepła, lepsza kontrola temperatury Możliwość znacznej redukcji gabarytów kotła CFB przy spalaniu w tlenie bardzo szybkie spalanie Powietrz e ASU lub inne źródło tlenu O 2 recyrkulacja ESP Możliwość dostosowania istniejących bloków CFB do spalania w tlenie N 2 CO2 sekwestracja CO 2 10

11 Elektrownia węglowa CFB Oxy Obieg parowy & Generator Sterowanie, nadzór Inert Filtr elektrostatyyczny CO 2 Podgrzewacz CO 2 Oczyszczanie & Sprężanie CFB Popiół wentylator zanieczyszczenia Mixer N 2 węgiel kontrola przepływu O 2 O 2 Cryo ASU Powietrze Energy and Resources Conference, New York, Dec

12 Rozwój OxyCFB Foster Wheeler Proxair Foster Wheeler OXYCFB Concept -Design 500 MWe OXYCFB Demo MWe -O2 (21 35 %) Demo 2 OXYCFB OTU Unit -250 MWe PHASE 1: OXYCFB Process study OXYCFB power plant Cost study Market study EU Consort. Demo 1 R&D in consortiums EU Consortium Demo 2 Private R&D 12

13 ENCAP Oxy Technologie PC oxy 600 MWe węgiel kamienny PC oxy 1000 MWe German węgiel brunatny PC oxy 380 MWe Greek węgiel brunatny CFBOXY 450 MWe węgiel kamienny 13

14 Separacja tlenu i sprężanie CO 2 wymagają znacznej ilości energii co w efekcie powoduje obniżenie sprawności o 8-12% Fuel input 2026MW 100% Original electricity output 865MW (42.7%) CO 2 compression 71 MW 3.5% Air separation 137 MW 6.8% 689MW output 34% Efficiency (net), % Cooling 1084MW (53.5%) Auxiliaries 45 MW 2.2% Reference plant O2/CO2 plant Foster Wheeler, Częstochowa,

15 Produkcja tlenu w membranch OTM 800 C, 1.3 bar Wysokotemperaturowa produkcja tlenu Ceramic Autothermal Recovery CAR Membrane area for Nm ³ /h O2: m ² 15 Tautz H. Linde LE. CO2NET, Warsaw, April, 2008

16 Flue gas recycle Flue gas condenser CO 2 COMPR. Oxygen 80 m 100 m ASU 1 ASU m Dodatkowy obszar pod zabudowę ASU i instalacji wychwytywania CO2 16

17 OXYCFB Wpływ wzbogacania powietrza tlenem 21 % tlenu w gazie wlotowym 60 % tlenu w gazie wlotowym 2 przypadki, 600 MW th : 600 MWth O 2 21 %: tradycyjne spalanie w powietrzu. O 2 60 %: 60 % gazu wprowadzanego do CFB stanowi O 2. Strumień gazu wynosi 40 % w stosunku do spalania w powietrzu. INTREX Całkowita objętość komory zmalała do 38 % m x 20.3 m x 9.4 m 45.0 m x 12.5 m x 5.3 m H x D x W Foster Wheeler 17 Energia Oy, 2006

18 Projekt demonstracyjny Oxy CFB CO 2 -Rich Flue Gas Feed Vent CO 2 Compressor Water Dryer Carbon beds Proces podobny do komercyjnej produkcji CO 2 Czystość > 95% z jednym stopniem separacji >99% można osiągnąć w kolumnach dystylacyjnych Technologie alternatywne - VPSA, Membrany Energy and Resources Conference, New York, Dec

19 SYMULACJE NUMERYCZNE UKŁADÓW ENERGETYCZNYCH Z KOTŁEM REALIZUJĄCYM SPALANIE TLENOWE UKŁAD BAZOWY UKŁAD z SEPARACJĄ CO 2 Wykorzystanie narzędzi numerycznych opartych na klasycznych algorytmach optymalizacyjnych oraz zaawansowanych kodach genetycznych w celu: - optymalizacji parametrów procesowych - optymalizacji struktury obiegów Kompleksowa analiza układów energetycznych, uwzględniająca niestandardowe elementy, jak: - proces przygotowania paliwa (np. suszenie) - produkcja tlenu - spalanie w atmosferach modyfikowanych O 2 /CO 2 - separacja CO 2 ze spalin 19

20 TECHNIKI SEPARACJI CO 2 ZE SPALIN Metody absorpcyjne Metody adsorpcyjne Metody membranowe Metody kriogeniczne 20 Image source: Vattenfall

21 TECHNOLOGIE SEPARACJI CO 2 TECHNOLOGIE SEPARACJI CO 2 PO PROCESIE SPALANIA ABSORPCJA CHEMICZNA ABSORPCJA FIZYCZNA ADSORPCJA METODY ALTERNATYWNE AMINY INNE ABSORBENTY MEMBRANY KRIOGENIKA INNE Pierwszorzędowe Drugorzędowe TrzeciorzĘdowe Aminy Sterically Hindered (KS-1, KS-2) Wodny r-r amoniaku Wodorotlenek sodu Węglan sodu lub potasu Rectisol Selexol Sulfinol PSA TSA PTSA URPSA VSA ESA Membrany separacyjne i absorpcyjne Destylacja Carbonate looping 21 Źródło: A.Kather, Workshop CO 2 -Capture, Utilization and - Storage, January, 22 nd, 2008

22 METODA ABSORPCJI SEPARACJA CO+ Sorbent CO 2 CO 2 REGENERACJA SORBENTU sorbent Sorbent ENERGIA spaliny w CO 2 zużyty sorbent Najczęściej wykorzystywana metoda separacji CO 2 ze strumieni spalin kotłowych, ze względu na dużą efektywność procesu oraz uzyskiwanie produktu o wysokim stopniu czystości. Monoetanoloamina (MEA) - najlepsza ciecz absorpcyjną pod względem skuteczności wiązania CO 2 (98-99%). Ma ona zdolność do absorbowania CO 2 w warunkach niskiego ciśnienia. Dzięki temu stała się ona najczęściej stosowanym absorbentem CO 2. Próby wykorzystania metody absorpcji w elektrociepłowniach ujawniły dwa główne problemy: degradacja absorbentu spowodowana nieodwracalnymi reakcjami z O 2 i SO x, oraz korozja w absorberach i regeneratorach. Zastosowanie inhibitorów korozyjnych i dodatków doprowadziło do złagodzenia części tych problemów. Wadami procesu absorpcji są także: ograniczona pojemność sorpcyjna absorbentu względem CO 2 oraz znaczne wymagania co do energii i miejsca. W metodzie absorpcji fizycznej zużywa się mniej energii do regeneracji sorbentu, ponieważ energia fizycznego oddziaływania sorbat-sorbent jest niższa od oddziaływań chemicznych. Nieorganicznym rozpuszczalnikiem, który zaproponowano do usuwania CO 2 jest woda morska. 22 Źródło: A.Kather, Workshop CO 2 -Capture, Utilization and - Storage, January, 22 nd, 2008

23 CHEMICZNE i FIZYCZNE ABSORBENTY 23 Źródło: A.Kather, Workshop CO 2 -Capture, Utilization and - Storage, January, 22 nd, 2008

24 CHARAKTERYSTYKI RÓŻNEGO TYPU ABSORBENTÓW 24

25 ECHNIKA SEPARACJI CO 2 - ABSORPCJA Elektrownia z separacją CO 2 w MALEZJI metodą chemicznej absorpcji z użyciem 200 t / dobę KEPCO / MHI Absorbenta (Courtesy of Mitsubishi) 25 Źródło: BASF - The Chemical Company

26 ECHNIKA SEPARACJI CO 2 - ABSORPCJA 26

27 Absorpcja CO2 w kotle 500 MWe absorbery regeneratory 35 m wymienniki ciepła 27 Frontiers. BP Magasine, April 2008

28 TECHNIKA SEPARACJI CO 2 - MEMBRANY Strumienie spalin powstające w wyniku spalania węgla złożone są z wielu rodzajów składników obecnych w różnych stężeniach, każde mające swoją własną rozpuszczalność i dyfuzyjność przez materiał membrany. Rozwój selektywnych membran na CO 2 dla takiego strumienia gazów nie jest łatwym zadaniem. Aby dokonać odpowiedniego rozdziału wymagane będzie zdecydowanie rozdzielanie wielofazowe. Wysoka selektywność dla CO 2 może być uzyskana wyłącznie dla membran separacyjnych oraz absorpcyjnych. W membranach separacyjnych, separacja gazu na membranach polega na wykorzystaniu fizycznych i chemicznych różnic pomiędzy składnikami obecnymi w mieszaninie gazowej, a materiałem membrany powodujące, że jeden komponent przenika przez membranę szybciej niż inne. Siłą napędową w membranowych procesach separacji gazów jest różnica ciśnień cząstkowych usuwanych zanieczyszczeń po obu stronach membrany. Dwoma kryteriami dobrej membrany separacyjnej są selektywność oraz wysoka przenikalność. 28

29 TECHNIKA SEPARACJI CO 2 - KRIOGENIKA Kriogeniczna separacja CO 2 ze strumieni spalin kotłowych obejmuje wielofazowe sprężanie i chłodzenie sprężanego gazu do odpowiedniej temp. a następnie wydzielanie separowanego CO 2 w postaci ciekłej. Gaz wejściowy jest osuszany i poddawany kompresji, następnie chłodzony w kolumnie kondensacyjnej i destylowany w celu uzyskania ciekłego CO 2. Poleca się stosowanie tej metody, gdy stężenie CO 2 w spalinach kotłowych przekracza 20%obj. Selektywność procesu wynika z różnych warunków kondensacji poszczególnych składników gazu (CO 2, CO, H 2 ). Metody kriogeniczne do usuwania CO 2 rozpatrywane są jedynie dla instalacji IGCC i spalania w atmosferze tlenu z recyrkulowanym CO 2 (O 2 /CO 2 ). substancja CO 2 CH 4 O 2 N 2 Ar punkt wrzenia ( C@p 0 ) NA (sublimacja) punkt potrójny ( C, bar) -57, , , , ,

30 TECHNIKA SEPARACJI CO 2 ADSORPCJA FIZYCZNA Metody adsorpcyjne oparte są na procesie adsorpcji zanieczyszczeń na powierzchni oraz w porach odpowiednio dobranego dla usuwanego zanieczyszczenia adsorbentu. WYKORZYSTUJĄ FIZYCZNE ODDZIAŁYWANIA POMIĘDZY GAZEM a AKTYWNYMI MIEJSCAMI CIAŁA STAŁEGO. TECHNIKI ADSORPCYJNE REALIZUJĄ CYKL ADSORPCYJNO - DESORPCYJNY PSA TSA VPSA URPSA ESA PRESSURE SWING ADSORPTION EMPERATURE SWING ADSORPTION VACUUM PRESSURE SWING ADSORPTION ULTRA-RAPID PRESSURE SWING ADSORPTION ELECTRIC SWING ADSORPTION 30

31 TECHNIKA SEPARACJI CO 2 ADSORPCJA FIZYCZNA LABORATORYJNA INSTALACJA PSA Wygląd instalacji IDPSA-2 od tyłu 1- filtry cząsteczkowe; 2- zbiornik buforowy; 3- kolumny separacyjne; 4- blok mierników stężenia; 5- szafka sterownicza; 6- precyzyjne zawory regulacyjne; 7- zawory elektromagnetyczne Schemat ideowy instalacji ZB zbiornik buforowy; ZR ręczne zawory odcinające; ZReg ręczne, precyzyjne zawory regulacyjne; ZE zawory elektromagnetyczne załącz/wyłącz; p, V, T, C - przetworniki ciśnienia, przepływu, temperatury i stężenia; F filtry cząsteczkowe 5 m; kol.1, kol.2 kolumny separacyjne ze złożem ZALETY INSTALACJI PSA Niskie nakłady inwestycyjne i na konserwację. Możliwość zmian końcowej czystości produktu. Szybkie włączenie do ruchu i wyłączenie. Długa żywotność adsorbera i adsorbentów. Duże wydajności i stałe koszty ruchowe również przy częściowym obciążeniu. Wpływy korozyjne mogą pochodzić tylko ze strony atmosfery. Brak źródeł ciepła i zimna, nie wymaga izolowania. 31

32 TECHNIKA SEPARACJI CO 2 ADSORPCJA FIZYCZNA Pilotażowe elektrownie z adsorpcyjną separacją CO 2 (PSA, PTSA) Pilotażowa instalacja PSA-CO 2 (Japonia) Przepływ spalin 1700 Nm 3 /h Sprawność separacji CO 2 99% Emisja CO 2 400kg/h T O C Ciśnienie adsorpcji 1,1 atm Ciśnienie desorpcji 0,2 atm Pilotażowa instalacja PTSA-CO 2 (Japonia) Przepływ spalin 1000 Nm 3 /h Sprawność separacji CO 2 99% Emisja CO 2 190kg/h T O C Ciśnienie adsorpcji 1,1-1,2 atm Ciśnienie desorpcji 0,3-0,5 atm 32

33 TECHNIKA SEPARACJI CO 2 ADSORPCJA FIZYCZNA Schemat adsorpcyjnej metody usuwania CO 2 ze spalin kotłowych 33

34 TECHNIKA SEPARACJI CO 2 ADSORPCJA FIZYCZNA ADSORBENTY CO 2 Najważniejszym czynnikiem w procesie adsorpcji jest wybór adsorbentu o odpowiednio dużej pojemności sorpcyjnej względem CO 2 i widocznej zdolności separacji tego gazu z gazowej mieszaniny WĘGLOWE SITA MOLEKULARNE WĘGIEL AKTYWNY ZEOLITY syntetyczne 13X, 5A oraz naturalne TLENEK GLINU ŻEL GLINOWY i KRZEMIONKOWY MEZOPOROWATE SITA MOLEKULARNE (w tym z popiołów lotnych) modyfikowane aminowymi polimerami (MCM-41-PEI) ZEOLITY syntezowane z popiołów lotnych 34

35 MEZOPOROWATE SITA MOLEKULARNE Schemat syntezy materiału SBA Źródło:

36 SEPARACJA CO 2 ze spalin w kotłach zasilanych mieszankami wzbogaconymi tlenem ZEOLITY I SITA MEZOPOROWATE AKTYWNOŚĆ BADAWCZA Synteza i modyfikacja zeolitów oraz materiałów mezoporowatych, z czystych chemicznie źródeł Si oraz na bazie popiołów lotnych, celem otrzymania adsorbentów o: - dużej powierzchni właściwej, - dużej średnicy i objętości porów, - możliwie najwyższej pojemności sorpcyjnej, - wysokiej selektywności względem CO 2. MODYFIKACJA PEI: Skrócenie czasu regeneracji adsorbentu. Efektywna adsorpcja CO2 przy jego niskim stężeniu. Wysoka selektywność względem CO2. Zachowana pojemność sorpcyjna w wyższych temp. Brak wrażliwości na wilgoć w spalinach. Analiza pojemności sorpcyjnej i selektywności syntezowanych związków względem CO 2, z użyciem: - metod termograwimetrycznych, - laboratoryjnej instalacji PSA 36

37 Adsorpcja na sitach molekularnych 37

38 TECHNIKA SEPARACJI CO 2 ADSORPCJA FIZYCZNA Adsorpcja CO 2 na modyfikowanych mezoporowatych materiałach Bardzo szybka desorpcja CO 2 z modyfikowanych PEI próbek wskazuje na wysoką dyspersję PEI w kanałach i komorach materiału mezoporowatego (MCM-41) Izotermiczny (75C) profil adsorpcji/desorpcji dla modyfikowanego 3F-MCM-41-PEI-30 O jakości adsorbentu decyduje: a) pojemność sorpcyjna, b) czas potrzebny do osiągnięcia stanu równowagi, c) pojemność desorpcji (regeneracja adsorbentu). Główne cechy mezoporowatego molekularnego sita F-MCM-41 modyfikowanego PEI - polietylenoiminą to: Pojemność adsorpcyjna względem CO 2 od razy wyższa niż dla F-MCM-41 i kilka razy wyższa niż dla czystego PEI. Znaczne skrócenie czasu potrzebnego do regeneracji adsorbentu (desorpcji). Rozgałęziony, przyjazny CO 2 - polimer, powodujący powstanie dużej ilości adsorpcyjnych miejsc. Znaczna adsorpcja w wyższych temperaturach. 38

39 ROZWÓJ ADSORPCYJNYCH METOD SEPARACJI CO 2 Wybór efektywnego adsorbentu Optymalizacja procesu dla instalacji w skali wielkoprzemysłowej 39 Integracja instalacji separacji CO 2 w elektrowni Źródło:

40 Opcje magazynowania geologicznego Nienadające się do eksploatacji cienkie pokłady węgla 30 Ft CO 2 Możliwość zmagazynowania dwuletnich emisji z 2030 r. Wybrane złoża ropy i gazu Głębokie słone warstwy wodonośne Gt CO2 Możliwość zmagazynowania letnich emisji z 2030 r. 930 Gt CO 2 Możliwość zmagazynowania 50- letnich emisji z 2030 r. 40 Report Cambridge University Press, 2005

41 Redukcja objętości CO 2 z głębokością 1000 m 3 CO2 na powierzchni CO2 w postaci gazowej Przejście fazowe Głębokość krytyczna głębokość w km CO2 w postaci cieczy nadkrytycznej 41 Frontiers. BP Magasine, April 2008

42 Projekty magazynowania CO 2 na świecie 42 Report Cambridge University Press, 2005

43 Wychwytywanie, składowanie i chemiczna utylizacja CO 2 Celem chemicznej utylizacji CO 2 jest zaprojektowanie procesów chemicznych, które pozwolą na konwersję odseparowanego i wychwyconego CO2 w użyteczne produkty. 43 Źródło:

44 CHEMICZNA UTYLIZACJA CO 2 - stan obecny Synteza mocznika i czystych chemikaliów takich jak kwas acetylosalicylowy, Ciekły i stały CO 2 jako czynnik chłodzący żywność (w chłodnictwie). Nasycanie dwutlenkiem węgla napojów (saturacja). Neutralizujący czynnik alkalicznych odpadów. Źródło inertnego gazu w procesach produkcyjnych. CHEMICZNA UTYLIZACJA CO 2 nanorurki węglowe w produkcji nanosensorów 44 Źródło: Aresta 1998

45 Chemiczna utylizacja CO 2 REAKCJE SUCHEGO REFORMINGU i BI-REFORMINGU Suchy reforming Jednym ze sposobów zagospodarowania CO 2 w przypadku braku źródła gorącej pary wodnej, używanej w klasycznym reformingu parowym, jest przeprowadzenie reakcji suchego reformingu pozwalającej na przekształcenie CO 2 w użyteczne substancje chemiczne. Reakcja suchego reformingu metanu jest reakcją endotermiczną i przebiega następująco: CH 4 + CO 2 2CO + 2H 2 H=247 kj/mol Do prowadzenie procesu suchego reformingu potrzebne jest: wzbogacenie spalin w CO 2 (np. poprzez realizację procesu spalania w atmosferach wzbogacanych w tlen), zapewnienie niezbędnego ciepła i dobranie odpowiedniego katalizatora. Bi-reforming Wadą suchego reformingu jest niski stosunek objętościowy (H 2 /CO 1) w wytworzonym gazie syntezowym. Prowadzenie procesu Bi reformingu, będącego kombinacja reformingu parowego i suchego daje większy stosunek objętościowy H 2 /CO ~ 3 oraz pozwala rozwiązać problem oczyszczania spalin bogatych w CO 2 : 45 CH 4 + CO 2 + H 2 O 3CO + 5H 2 (H 2 /CO ~ 3) By pokonać bariery w procesie bi-reforming potrzeba podobnie jak przy suchym reformingu wzbogacić spaliny w CO 2 oraz dobrać odpowiedni katalizator (na bazie platyny, Ni, na nośnikach Al, zeolitach), a także zapewnić ciepło dla reforming, którego źródłem może być ciepło odpadowe z elektrowni. (1) (2)

46 Koncepcja separacji CO 2 ze spalin metodą adsorpcyjna (PSA) i jego chemiczna utylizacja (produkcja metanolu) Zużycie gazu koksowniczego: Nm³/h. Otrzymana ilość gazu syntezowego pozwoli wyprodukować 40 t/h metanolu tj. ok t/rok. N A K Ł A D Y I N W E S T Y C Y J N E Nakłady inwestycyjne na budowę instalacji usuwania i chemicznej utylizacji CO 2 wyniosą: a - instalacja usuwania CO 2 metodą adsorpcji...50 mln zł b - Instalacja sprężania i doczyszczania gazu koksowniczego...40 mln zł c - Instalacja reformingu parowego z węzłem absorpcji...60 mln zł d - Wytwórnia metanolu mln zł Razem koszty inwestycyjne mln zł P R Z Y C H O D Y i K O S Z T Y KOSZTY a - zakup gazu koksowniczego mln zł b - koszty eksploatacji...20 mln zł PRZYCHODY a - sprzedaż metanolu mln 46 zł

47 Koncepcja procesu tri-reformingu metanu z użyciem spalin kołowych pochodzących z elektrowni spalających węgiel lub gaz ziemny 47

48 ZALETY TRI-REFORMINGU Można zaprojektować system, w którym E-chłonny proces separacji CO 2 ze spalin nie będzie potrzebny. Można użyć obecnych w spalinach H 2 O i O 2 jako substratów (bez potrzeby ich separacji ze spalin). Można wykorzystać ciepło odpadowe elektrowni do konwersji CO 2. Istnieje możliwość syntezy metanolu z dodatkiem CO 2 w przypadku prowadzenia procesu na katalizatorach miedziowych zgodnie z reakcją (5): CO 2 + 3H 2 = CH 3 OH + H 2 O Spaliny kotłowe poddane procesowi głębokiego odsiarczania nie powodują zatrucia siarką katalizatorów miedziowych, co pozwala na prowadzenie procesu syntezy metanolu w niższych temperaturach ( O C). (5) PORÓWNANIE KATALIZATORA UŻYTEGO W TRI-REFORMINGU i W REFORMINGU CO 2 CO 2 reforming Steam methane reforming Tri- reforming Photo of used Ni/MgO-Al2O3 (Haldor-Topsoe R67) catalyst after CO 2 reforming, steam methane reforming and tri-reforming at 1 atm and 850 O C 48 Źródło: C.Song et al.., Stud Surf Sci Catal, 2004, 153, 411

49 MOŻLIWOŚCI CHEMICZNEJ UTYLIZACJI CO 2 Główne bariery utylizacji CO 2 : koszty wychwytywania CO 2, jego separacji, oczyszczania i transportu do miejsca wykorzystania; zapotrzebowanie energii do chemicznej konwersji CO 2 (plus koszty H 2 i innych współ - reagentów); ograniczenia wielkości rynku zbytu, brak motywacji do inwestowania i brak zaangażowania przemysłu do rozwoju substancji chemicznych opartych na CO 2. Tymczasem fizyczne i chemiczne własności CO 2 powodują, że może on być wykorzystany do wielu procesów konwersji substancji chemicznych oraz do przemysłowej produkcji substancji chemicznych i materiałów. Aby mogło to być możliwe potrzebne są działania w kierunku rozwoju nowych sposobów konwersji i utylizacji CO 2. Do działań tych zaliczyć możemy: dla zastosowań, które nie wymagają czystego CO 2 - rozwinięcie efektywnych procesów, gdzie wykorzystane mogą zostać strumienie spalin kotłowych zawierające CO 2 w obecności pozostałych składników spalin (bez separacji CO 2 ); dla zastosowań, które wymagają czystego CO 2, rozwinięcie bardziej efektywnych i mniej energochłonnych intensywnych procesów selektywnej separacji CO 2 w celu otrzymania strumienia gazu bez H 2 O, O 2 i N 2 (stosowanie selektywnych adsorbentów); zastąpienie niebezpiecznych lub mniej efektywnych substancji w istniejących procesach dwutlenkiem węgla. 49

50 PODSUMOWANIE Zauważa się rosnącą aktywność badawczą w zakresie szeroko pojętego spalania tlenowego. Skala prowadzonych na świecie prac eksperymentalnych jest imponująca. Wkrótce można spodziewać się pierwszych danych procesowych z instalacji demonstracyjnej. Dla krajów takich jak Polska, możliwość sekwestracji CO 2 wynikająca z realizacji spalania tlenowego, będzie oznaczała dalszą niezależność energetyczną przy zachowaniu produkcji energii elektrycznej z węgla, pomimo wciąż zaostrzających się przepisów regulujących dopuszczalne limity emisji gazów cieplarnianych. 50

51 PODSUMOWANIE Pomimo tego, iż wszystkie technologie separacji CO 2 ze spalin kotłowych są kosztowne, a ich wprowadzenie wpływa na znaczny spadek sprawności wytwarzania energii, wykorzystanie ich w elektrowniach zawodowych wydaje się być możliwe z technicznego punktu widzenia. Rozwojowi metod separacji CO 2 powinny towarzyszyć badania jego konwersji i utylizacji jako integralna część badań redukcji emisji CO 2. Obok rozwijania bardziej efektywnych metod separacji (np. wysoko-pojemnościowe adsorbenty CO 2 ) dla zastosowań, w których niezbędna jest jego wysoka czystość, istotnym jest poszukiwanie sposobów wykorzystania CO 2 obecnego w spalinach bez potrzeby jego separacji. 51