Ekonomiczno-techniczne aspekty wykorzystania gazu w energetyce Janusz Kotowicz Wydział Inżynierii i Ochrony Środowiska Politechnika Częstochowska
Podstawy generowania gazu z węgla Janusz Kotowicz W14 Wydział Inżynierii i Ochrony Środowiska Politechnika Częstochowska
IGCC 1. Wprowadzenie 2. Proces IGCC 3. Podstawy teoretyczne procesu zgazowania 4. Generatory gazu syntezowego 5. Podsumowanie technologii generowania gazu 3 IGCC
1. Wprowadzenie 250 Węgiel brunatny; 227 200 Węgiel kamienny; 168 150 LATA 100 50 Ropa naftowa; 42 Gaz ziemny; 63 0 Wyczerpywanie się zasobów paliw kopalnych (IEA). 4 IGCC
1. Wprowadzenie $/GJ 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 0,0 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 WĘGIEL ROPA Stabilność cenowa węgla na tle innych surowców energetycznych (IEA). 5
1. Wprowadzenie Ze światowych prognoz wynika, że węgiel pozostanie podstawowym paliwem energetycznym, a produkcja energii elektrycznej na jego bazie będzie nadal wzrastać (IEA). TWh 14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0 2002 2020 2030 Węgiel Ropa Gaz En.jądrowa En. wodna inne OŹE 6
IGCC (Integrated Gasification Combined Cycle) 7
2. Proces IGCC TLEN ZOWANIE GENERATOR U WĘGIEL PRZYGOTOWANIE PALIWA ŻUŻEL TLENOWNIA ASU CHŁODZENIE U ODZYSK CIEPŁA 2 1 OCZYSZCZANIE U SIARKA AZOT ZESPÓŁ TURBINY OWEJ G N el TG POWIETRZE KOCIOŁ ODZYSKOWY 1 2 G TURBINA PAROWA N el TP SPALINY 8
3. Podstawy teoretyczne procesu zgazowania Zgazowanie węgla jest procesem technologicznym mającym na celu konwersję stałej substancji organicznej do gazu. Proces ten prowadzi się w generatorach gazu, w których węgiel jako substancja zgazowywana poddawany jest chemicznej obróbce w obecności wysokiej temperatury i czynników zgazowujących, którymi mogą być powietrze, tlen, para wodna, dwutlenek węgla, wodór. Podczas procesu zgazowania zachodzą reakcje chemiczne, które można podzielić na pierwotne (między substancją zgazowywaną a gazami) i wtórne (pomiędzy wytworzonymi gazami). W zależności od efektu cieplnego reakcje zachodzące w procesie zgazowania można podzielić na egzotermiczne i endotermiczne. 1 C + O2 CO + 123,1 MJ / kmol 2 C + O CO 404,7 MJ / kmol 2 2 + CO + H O H + CO 40,9 MJ / kmol 2 2 2 + CO + H CH + H O 205,9 MJ / kmol 3 2 4 2 + C + CO 2CO 159,9 MJ / kmol 2 CO + H CH + 2H O 179MJ / kmol 2 4 2 4 2 + C + H O CO + H 118,5 MJ / kmol 2 2 C + H CH 87,5 MJ / kmol 2 2 4 + 9
3. Podstawy teoretyczne procesu zgazowania Istnieje możliwość pokrycia zapotrzebowania energii poprzez reakcje egzotermiczne zachodzące w reaktorze równocześnie z reakcjami endotermicznymi lub poprzez doprowadzenie energii z zewnątrz. W związku z tym rozróżnia się dwa rodzaje procesów Proces autotermicznego, ciśnieniowego zgazowania węgla parą wodną Węgiel Popiół O TEMPERATURA CIŚNIENIE Karbonizat,CO,CO 2,CH 4 +zanieczyszczenia Proces allotermicznego, ciśnieniowego zgazowania węgla parą wodną Węgiel O O 2 lub Powietrze TEMPERATURA CIŚNIENIE Popiół Karbonizat,CO,CO 2,CH 4,(N2) +zanieczyszczenia CIEPŁO 10
3. Podstawy teoretyczne procesu zgazowania STOPIEŃ KONWERSJI η z = B& B& g w ( Wd ) ( W ) d g w lub η z = B& B& g w ( Q& s ) g ( Q& s ) w PEŁNA SPRAWNOŚĆ η zg = B& B g w [( W ) ] d + h g g ( Wd ) + w + Q& m& h i p mgi 11
4. GENERATORY U PODZIAŁ GENERATORÓW Ze względu na rodzaj kontaktu węgla z medium zgazowującym 1. Generatory ze złożem stałym (moving-bed also call fixe-bed gasifiers); 2. Generatory ze złożem fluidalnym (fluidized-bed gasifiers); 3. Generatory strumieniowe (entrained flow gasifiers). Ze względu na czynnik zgazowujący 1. Zgazowanie częściowe (powietrzne); 2. Zgazowanie całkowite (tlenowe). Ze względu na sposób odprowadzania żużla 1. Generatory z odprowadzeniem żużla w stanie stałym; 2. Generatory z odprowadzeniem żużla w stanie ciekłym. 12
4. GENERATORY U złoże stałe, złoże fluidalne, reaktor strumieniowy ZŁOŻE STAŁE ZŁOŻE FLUIDALNE WĘGIEL (3-50 mm) WĘGIEL (1-6 mm) O+O 2 O+O 2 POPIÓŁ POPIÓŁ REAKTOR STRUMIENIOWY WĘGIEL (0,1-0,5mm) WĘGIEL (0,1-0,5mm) O+O 2 O+O 2 13 ŻUŻEL
4.1 Generatory ze złożem stałym (Moving-bed or fixed-bed gasifiers) 1. Lurgi Dry Ash 2. BGL Rozkład temperatury wzdłuż wysokości generatora gazu ze złożem stałym WĘGIEL WĘGIEL Para, Powietrze lub Tlen Popiół Para, Powietrze lub Tlen Popiół TEMPERATURA 14
4.1 Generatory ze złożem stałym Lurgi Dry Ash WEGIEL BGL WĘGIEL ŚLUZA WĘGLA ŚLUZA WĘGLA NAPĘD RPZDZIELACZA ROZDZIELACZ O (para) WODA KRÓCIEC WYLOTOWY U PŁASZCZ WODNY SUSZENIE CHODNICA NATRYSKOWA CHŁODNICA U MIESZALNIK ODOWANIE ZOWANIE SPALANIE WYLOT U ZBIORNIK CIŚNIENIOWY RUSZT NAPĘD RUSZTU O(para)+O 2 PŁASZCZ WODNY O (para) + O 2 KOMORA ŻUŻLOWA DYSZA WODA CHŁODZĄCA ŻUŻEL ŚLUZA POPIOŁU ŚLUZA ŻUŻLOWA 15 POPIÓŁ ŻUŻEL
4.1 Generatory ze złożem stałym 100 97,5 LURGI 98,5 BGL 99,7 [%] 95 92,5 90 Stopień konwersji węgla w reaktorach ze złożem stałym 16
4.2 Generatory ze złożem fluidalnym (Fluidized-bed gasifiers) 1. HTW (High Temperature Winkler) 2. KRW (Kellog Rust Westinghouse) Rozkład temperatury wzdłuż wysokości generatora gazu ze złożem fluidalnym WĘGIEL WĘGIEL Para, Powietrze lub Tlen Para, Powietrze lub Tlen Popiół TEMPERATURA Popiół 17
4.2 Generatory ze złożem fluidalnym WĘGIEL HTW WYLOT U KRW WYLOT U KRW Instalacja dozowania węgla SCHŁODNICA SUROWEGO U CYKLON Śluza węglowa ZBIORNIK CIŚNIENIOWY Recylkulacja cząstek stałych Recylkulacja gazu Recylkulacja gazu O (para) O (para) PODAJNIK O (para) + O 2 lub powietrze Recylkulacja gazu ZŁOŻE FLUIDALNE O 2 (pow.) Popiół ŚLIMAK Karbonizat i popiół Węgiel + Wapień 18
4.2 Generatory ze złożem fluidalnym 100 97,5 [%] 95 KRW 96,5 92,5 HTW 93,5 90 Stopień konwersji w generatorach ze złożem fluidalnym 19
4.3 Generatory przepływowe (Entrained flow gasifiers) 1. GE (Chevron Texaco) 2. Shell (SCGP-Shell Coal Gasificaton Process) 3. E-gas (Conoco Phillips, DOW) 4. Prenflow 5. GSP/Noel (Siemens) WĘGIEL Para, Powietrze lub Tlen WĘGIEL Para, Powietrze lub Tlen Żużel Żużel TEMPERATURA 20
4.3 Generatory przepływowe GE (TEXACO) O 2 z ASU Szlam węglowo-wodny O 2 z ASU Szlam węglowo-wodny GENERATOR IZOLACJA WODA BOILER CHŁODZENIE WYMIENNIK CIEPŁA QUENCH PARA HP ŻUŻEL ŻUŻEL 21
4.3 Generatory przepływowe SHELL (SCGP) E-gas PAROWNIK II sopień I sopień II Węgiel + Para + O 2 PARA PYŁ WĘGLOWY lub SZLAM O KOKSIK I O 2 z ASU WODNE CHŁODZENIE ŻUŻLA Żużel ŻUŻEL 22
4.3 Generatory przepływowe PRENFLOW ZAPYLONY RZEGRZEWACZ II NAWRÓT U PAROWNIK filtry odpylony gaz RZEGRZEWACZ I WYLOT U śluza popiołu NAWRÓT U PAROWNIK I podajnik popiołu WĘGIEL, KOKS + N 2 PAROWNIK I I CYKLON para + O 2 Chłodzenie EKONOMIZER POPIÓŁ LOTNY zasobnik popiołu lotnego ŻUŻEL 23
4.3 Generatory przepływowe a.) PYŁ WĘGLOWY PARA + O 2 b.) PYŁ WĘGLOWY PARA + O 2 PALNIK PARA PŁASZ WODNY EKRAN WODA CHŁODZĄCA WODA KOTŁOWA WODA GASZĄCA PŁASZ WODNY ŚCIEKI NOELL 24
4.3 Generatory przepływowe 100 PRENFLOW 99,7 SHELL 99,7 NOELL 99,5 E-GAS 99,3 GE 99 97,5 [%] 95 92,5 90 Stopień konwersji w generatorach przepływowych 25
5. Podsumowanie technologii generowania gazu [MW t ] 80 000 70 000 PLANOW ANA OBECNA 60 000 50 000 40 000 30 000 20 000 10 000 0 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 Światowa produkcja gazu syntezowego 26
5. Podsumowanie technologii generowania gazu Obecnie (2004 rok) na świecie (w 24 krajach) działa 117 instalacji opartych na zgazowaniu, które wyposażone są w 385 generatorów gazu (różnej konstrukcji) o mocy cieplnej wynoszącej 45 001 MWt. W trakcie budowy lub projektowania znajduje się 27 obiektów z 66 generatorami. [MW t ] 30 000 PLANOWANA 25 000 OBECNA 20 000 15 000 10 000 5 000 0 PALIWA PŁYNNE CHEMIA ENERGETYKA PALIWA OWE INNE Główne kierunki wykorzystania technologii zgazowania 27
5. Podsumowanie technologii generowania gazu Zastosowanie różnych typów reaktorów [MW t ] LURGI 41% 35 000 30 000 PLANOWANA OBECNA 25 000 INNE 6% GE 34% 20 000 SHELL 19% 15 000 10 000 5 000 0 SHELL LURGI GE INNE E-GAS Produkcja gazu syntezowego dla wybranych technologii zgazowania 28