Rtęć w przemyśle Konwencja, ograniczanie emisji, technologia 26 listopada 2014, Warszawa Technologia usuwania rtęci z węgla przed procesem zgazowania/spalania jako efektywny sposób obniżenia emisji rtęci do atmosfery Tomasz Chmielniak, Marcin Sajdak, Edyta Misztal, Izabela Mazurek, Krzysztof Słowik paliw i energii elektrycznej finansowane przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju w ramach strategicznego programu badań naukowych i prac rozwojowych pt.: Zaawansowane technologie
Zakres prezentacji 1. Wprowadzenie 2. Badania eksperymentalne 3. Koncepcja technologiczna procesu 4. Ocena ekonomiczna 5. Podsumowanie 2/20
Wprowadzenie Zadanie badawcze: Opracowanie technologii zgazowania węgla dla wysokoefektywnej produkcji paliw i energii elektrycznej finansowane przez NCBiR w ramach strategicznego programu badan naukowych i prac rozwojowych pt.: Zaawansowane technologie 3/20
Badania eksperymentalne: węgiel Węgiel kamienny i brunatny Węgle wybrane do badań w ramach realizacji Zadania Badawczego nr 3 Węgie l Analiza techniczna, % HHV a Analiza elementarna, % Hg d W r W a A a V a kj/kg C a H a N a S t a ppb WK 21.3 12.4 10.6 30.5 23.9 60.4 3.46 0.94 1.22 81 WB 54.2 7.8 10.2 44.3 21.7 56.0 4.05 0.68 0.83 485 4/20
Badania eksperymentalne: koncepcja realizacji badań Skala laboratoryjna 2 100 g Skala wielkolaboratoryjna 3 1,5 2 kg/h Wpływ temperatury Wpływ czasu przebywania Analiza właściwości węgla i karbonizatu Wybór parametrów procesu do dalszych testów Weryfikacja wyników Analiza właściwości węgla i karbonizatu Dystrybucja i analiza produktów procesu Weryfikacja wyników Analiza właściwości węgla i karbonizatu Dystrybucja i analiza produktów procesu Wytyczne realizacji procesu 5/20
Badania eksperymentalne: badania laboratoryjne (1) Węgiel brunatny: Wysokie sprawności separacji już w temperaturze 250 C (69 84 %). W temperaturze 300 C sprawność separacji przekracza 90 %. WB Węgiel kamienny: Akceptowalne sprawności separacji przy temperaturze 350 C (48 %). Czas przebywania 0 10 min.. WK 6/20
Badania eksperymentalne: badania laboratoryjne (2) WB Dla węgla brunatnego wzrost temperatury procesu do 500 C powoduje spadek zawartości C, H i części lotnych w karbonizacie odpowiednio o 38, 66 i 61 %. Spadek entalpii chemicznej paliwa wynosi 42 %. Spadek entalpii chemicznej paliwa w przypadku węgla kamiennego wynosi 26 %. Uwzględniając sprawności separacji rtęci i zmiany właściwości paliwa oczyszczonego, optymalnymi temperaturami realizacji procesu dla węgla brunatnego i kamiennego są odpowiednio: 300 C i 350 C. WK 7/20
Badania eksperymentalne: badania laboratoryjne (3) Skala ~ 100 g 100,0 KWK Janina KWK Janina 1 KWK Wieczorek KWB Bełchatów 92,9 93,8 94,0 WB: weryfikacja wyników w skali 100 g g, % H ia a n w s u u ś ć o n w ra S p 90,0 80,0 70,0 60,0 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 0,0 30,3 39,1 28,0 23,8 0 min 0 min 0 min 0 min 250 C 300 C 20 min 350 C 450 C 73,5 51,0 78,3 27,2 28,7 0 min 20 min WK Janina: wzrost temperatury powoduje uzyskanie sprawności usuwania Hg > 90%, lecz wiąże się to ze spadkiem entalpii chemicznej paliwa oczyszczonego. 550 C 8/20
Badania eksperymentalne: skala wielkolaboratoryjna proces ciągły (1) Skala 1,5 kg/h Parametry procesu pirolizy: proces ciągły piec obrotowy wydajność: 1,5 kg/h temperatura: WB: 300 C, WK: 450 C czas przebywania: 30 min uziarnienie węgla: 0,5 3,15 mm atmosfera: N 2 (30 l/h) 9/20
Badania eksperymentalne: skala wielkolaboratoryjna proces ciągły (2) Węgiel brunatny 300 o C: Sprawność usuwania Hg: 92-93% Strata entalpii chemicznej paliwa: 3-7% Węgiel kamienny 450 o C: Sprawność usuwania Hg: 16-24% Strata entalpii chemicznej paliwa: 11-20% 10/20
Badania eksperymentalne: skala wielkolaboratoryjna proces ciągły (3) 11/20
Koncepcja technologiczna: założenia Wydajność instalacji: 250 t/h węgla surowego (strumień entalpii chemicznej paliwa: 626 MW th ) Sprawność usuwania rtęci z węgla: 90 % Temperatura realizacji procesu: 300 C Temperatura paliwa po wysuszeniu: 110 C Straty ciepła w suszarce i w układzie pirolizy:1 % (strumienia ciepła doprowadzonego do układu) Sprawność cieplna komory spalania: ~ 90 % 12/20
Koncepcja technologiczna: schemat układu 13/20
Koncepcja technologiczna: bilans masy i energii Strumień Bilans masy Strumień Bilans masy WEJŚCIE kg/h % Węgiel brunatny 250 000 28,37 Paliwo generacja ciepła 63 500 7,21 Powietrze 258 489 29,33 Azot 15 000 1,70 Woda kotłowa 6 bar 9 782 1,11 Woda kotłowa 39 bar 8 639 0,98 Woda grzewcza 261 545 29,68 Woda technologiczna 14 277 1,62 Razem wejście 881 232 100,00 WYJŚCIE kg/h % Paliwo po usunięciu rtęci 126 654 14,4 Popiół 10 303 1,2 Spaliny z suszenia 416 154 47,2 Spaliny z pirolizy niskotemp. 48 155 5,5 Rtęć z sorbentem 0,1 0,0 Woda grzewcza 261 545 29,7 Para 6 bar 9 782 1,1 Para 39 bar 8 639 1,0 Razem wyjście 881 232 100,0 14/20
Koncepcja technologiczna: sprawność cieplna Nr Przypadek/produkt WB,% 1 Paliwo oczyszczone (gorące) + para SP, NP, woda grzewcza 89,3 2 Paliwo oczyszczone (gorące) + para +wg 76,2 2 Paliwo oczyszczone (gorące) + para 74,4 3 Paliwo oczyszczone (zimne/temp. otoczenia) 73,1 Przypadek Spalanie Zgazowanie Piroliza Przepływ gazu, kg/h 1 288 190 286 886 33 200 Strumień rtęci, kg/h 0,0474 0,0440 0,0427 Koncentracja rtęci, mg/kg 36,8 153,3 1 056,8 Wzrost koncentracji rtęci: x 29 spalanie / x 7 zgazowanie 15/20
Ocena ekonomiczna: koszty produkcji Cena zakupu węgla surowego: 8 PLN/GJ Koszty produkcji: 61 mln (200 mln) PLN Koszt węgla oczyszczonego: 10 PLN/GJ Wzrost ceny węgla (bez marży): 25 % Uzyskujemy paliwo czyste (bez rtęci), suche o wysokiej wartości opałowej rośnie efektywność jego przetwórstwa 16/20
Ocena ekonomiczna: porównanie, spalanie 250 000 400 000 USD/kg Hg 200 000 150 000 100 000 50 000 74 516 227 076 71 209 13 426 62 832 39 242 15 851 67 241 54 895 38 140 27 778 50 885 USD/kg Hg 350 000 300 000 250 000 200 000 150 000 100 000 50 000 151 678 359 353 113 538 39 463 115 743 92 815 60 627 102 294 134 923 88 405 107 806 50 885 0 0 Dane 2007-2010 17/20
Podsumowanie (1) Usuwanie rtęci z węgla na drodze pirolizy niskotemperaturowej przed procesem zgazowania/spalania jest interesującą alternatywą w stosunku do wtórnych metod obniżania emisji rtęci. Ze względu na wyższą koncentrację rtęci oraz znacznie niższe strumienie oczyszczanego gazu w proces separacji jest relatywnie łatwy do zastosowania i (jak wynika z pierwszych szacunków) jest atrakcyjny ekonomicznie. Zastosowanie procesu pozwala na uzyskanie wysokich sprawności usuwania rtęci z węgla brunatnego (>90%). W przypadku węgla kamiennego uzyskane sprawności są zdecydowanie niższe (24 % przy 450 o C). 18/20
Podsumowanie (2) Istotną zaletą rozwijanej technologii jest jej integracja z procesem suszenia. Produktem technologii jest oczyszczone paliwo o wyższej kaloryczności i zdecydowanie niższej zawartość wilgoci. Pozwala to na jego bardziej efektywne wykorzystanie w procesach zgazowania i spalania. Powinno to być uwzględnione przy porównaniu i ocenie badanej technologii tle innych, obecnie dostępnych i rozwijanych. Przeprowadzona ocena ekonomiczna pozwala stwierdzić, iż proponowana koncepcja technologii usuwania rtęci z węgla brunatnego na drodze niskotemperaturowej pirolizy jest technologią opłacalną i konkurencyjną na tle obecnie stosowanych. 19/20
Dziękuję za uwagę Zadanie badawcze Opracowanie technologii zgazowania węgla dla wysokoefektywnej produkcji paliw i energii elektrycznej finansowane przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju w ramach strategicznego programu badan naukowych i prac rozwojowych pt.: Zaawansowane technologie 20/20