Czyste technologie węglowe z brudnym węglem Z prof. Wiesławem Blaschke z Wydziału Górnictwa i Geologii Politechniki Śląskiej rozmawia Jacek Balcewicz Na salonach trwają już intelektualne spory o to, co jest lepsze: pre czy post-combustion, a może oxy-combustion, podczas gdy praw chemii nie da się oszukać i lewa strona równania musi równać się prawej. I bez względu na zastosowaną technologię wyłapywania szkodliwych spalin, to co leci z paleniska jest prostą pochodną tego, co do kotła wrzucono jako paliwo. Na jednej z konferencji na temat technologii czystego węgla" stwierdził Pan ostatnio wprost, że: krajowa energetyka nie jest zainteresowana zakupami węgla lepszej jakości. Gdzie leży przyczyna tego absurdalnego stanu rzeczy? Pierwsze zawodowe elektrownie. które zbudowano zarówno w Zagłębiu Krakowskim jak i Zagłębiu Dąbrowskim na początku XX wieku, powstały nie dlatego, że było zapotrzebowanie na energię elektryczną, bo ta dopiero torowała sobie prawo obywatelstwa i była wówczas raczej luksusową nowinką, a dlatego by przede wszystkim zagospodarować niesprzedawalne, bardzo zanieczyszczone miały i muły węglowe. I to przeświadczenie, że w elektrowni spali się wszystko pokutuje niemal do dzisiaj. Budowane po II wojnie światowej elektrownie przystosowane były do spalania węgla nie wzbogaconego tzw. surowych miałów energetycznych. Posiadały one kotły do spalania węgla o zawartości popiołu od 20 do 35 proc. Im później budowane były elektrownie, tym wyższą zawartość popiołu w węglu przyjmowano jako paliwo gwarancyjne i do tej jakości węgla dostosowywano układy technologiczne elektrowni. Z tego też powodu, w poprzednim systemie funkcjonowania gospodarki, praktycznie nie budowano zakładów przeróbczych wzbogacających miały energetyczne. Energetyka odbierała każdy węgiel. Nie przywiązywano większego znaczenia do problemu zanieczyszczania środowiska wskutek spalania złej jakości węgla. Obecnie mamy dziwną, niezrozumiałą dla mnie, sytuację. Można produkować lepszej jakości węgiel, a tymczasem przeprowadzone w ostatnich kilkunastu latach modernizacje elektrowni i elektrociepłowni nie zakładały dużych zmian w zakresie jakości dostarczanego do spalania węgla. W większości przypadków zakładano spalanie węgla o zawartości popiołu od 18 do 25 proc. Podczas gdy usunięcie z urobku węglowego tylko ziaren czystego kamienia pozwala na uzyskanie w ten sposób produktu zawierającego już tylko około 12-14 proc. popiołu. Energetyka stosuje więc do produkcji energii węgiel zawierający znaczne ilości kamienia. Jest to nonsens tak z technologicznego jak i ekonomicznego punktu widzenia. Spalanie złej jakości węgla powoduje zwiększenie kosztów pozyskania energii i pogorszenie sprawności przemian energetycznych. Jeżeli w programie Polityki energetycznej" przewiduje się radykalne działania na rzecz poprawy efektywności energetycznej oraz ograniczenia negatywnego wpływu na środowisko, niezbędne jest nowe spojrzenie na procesy wzbogacania węgla dla energetyki. Do spalania powinien być kierowany czysty" węgiel, a nie - jak dotychczas - węgiel brudny". Pojęcie Technologii Czystego Węgla, nie urodziło się jednak ani w Unii Europejskiej, ani też w Polsce, która usiłuje bronić w ten sposób naszego węgla przed ekologami oraz lobbystami gazu czy atomu...
Program nazywany Technologie Czystego Węgla (Clean Coal Technology) narodził się w Stanach Zjednoczonych już ponad 30 lat temu. Wbrew popularnej wiedzy i opinii węgiel jest najbardziej powszechnym paliwem w USA. W oparciu o niego wytwarzana jest ponad połowa energii elektrycznej i przemysłowej pary wodnej. Zasoby węgla są tam znaczne i powszechnie dostępne, a wraz ze wzrostem zapotrzebowania na energię, corocznie wzrasta zużycie węgla. Wykorzystywanie węgla odbywać się musi nie tylko w sposób ekonomiczny, lecz także i bezpieczny z punktu widzenia jego wpływu na środowisko. W USA skupiono uwagę na emisjach tlenków siarki SOx, tlenków azotu NOx i dwutlenku węgla CO2. Standardowy 500 MW kocioł spalający węgiel kamienny, wydobyty we wschodniej części USA, emituje do atmosfery około 80 tys. ton SOx, 15 tys. ton NOx i 280 tys. ton CO2. Te emitowane związki są uważane za główne zagrożenie dla środowiska. Już w 1990 roku wprowadzono w USA ustawę dotyczącą czystości powietrza. Ustawa ta zmieniła optykę tamtejszej energetyki. Zgodnie z intencją ustawy należało rozwiązać pięć problemów. Po pierwsze: konieczność zmniejszenia emisji SO2 do 2,5 funta/mln Btu do roku 1995, a w roku 2000 do poziomu 1,2 funta/mln Btu. Po drugie: zminimalizowanie kosztów kapitałowych i eksploatacyjnych, zmniejszenie opłat dla konsumentów i zmaksymalizowanie zysków udziałowców. Po trzecie: utrzymanie regularnej podaży paliwa, uniknięcie wysokich kosztów transportu. Po czwarte: zapobieżenie utraty pracy w lokalnych kopalniach, udoskonalenie pracy zakładów, ale bez dodatkowych nadmiernych, działań obciążających te zakłady. Po piąte: utrzymanie kontroli nad zagospodarowaniem odpadów, które mogłyby wpłynąć ujemnie na środowisko oraz stworzenie nowych metod zagospodarowania odpadów. Program Technologie Czystego Węgla, realizowany od 1987 roku miał na celu opracowanie nowych technologii pozyskiwania i użytkowania węgla, które pozwolą ma dotrzymanie ostrych limitów emisji zanieczyszczeń do atmosfery przy dalszym jego użytkowaniu. Program objął także zagadnienia prawne, a programy badawcze uwzględniały cały cykl wdrożeniowy, od projektu badań aż po upowszechnianie wyników. Koszt realizacji programu tylko w latach 1987-1992 przekroczył 5 miliardów USD. Program zakładał także, że wykorzystane będą wszystkie dotychczas zakończone prace badawcze realizowane w innych programach. Sporządzono inwentaryzację prowadzonych i zakończonych prac mogących być przydatnymi dla celów programu Clean Coal Technology. W nowym Programie CCT szczególny nacisk położono na opracowanie nowych lub udoskonalenie znanych technologii w całym cyklu użytkowania węgla. Program Technologii Czystego Węgla realizowany był głównie w celu poprawy jakości węgla kierowanego do dalszego użytkowania, a także doskonalenia samych procesów spalania łącznie z oczyszczaniem powstających spalin. W USA w zasadzie nie kieruje się do spalania węgla surowego czyli niewzbogaconego. Węgiel zawierający domieszki kamienia nie jest też przedmiotem handlu międzynarodowego. Z technologicznego punktu widzenia praktycznie każdy rodzaj węgla, niezależnie od tego, jakiej jest jakości, może być spalony. Można spalać węgiel bardzo dobrej jakości o wysokiej wartość opałowej i małej zawartość popiołu, można też spalać węgiel bardzo kiepskiej jakości. Jest to tylko kwestia dostosowanie kotłów i instalacji nawęglających do jakości dostarczanego węgla. W latach osiemdziesiątych i dziewięćdziesiątych wybudowano sekcje miałowe w zakładach przeróbki węgla. Stworzono w ten sposób możliwość dostarczania do elektrowni, elektrociepłowni i innych użytkowników dobrej jakości miałów, co było od lat postulatem energetyki. Jednak zainteresowanie użytkowników wzbogacaniem węgla skończyło się gdy dostarczany węgiel zaczął uzyskiwać parametry gwarancyjne poszczególnych kotłów. Spalanie jeszcze lepszego jakościowo węgla nie przynosiło już poprawy efektów technologicznych i ekonomicznych w istniejących w elektrowniach układach. Produkcja coraz czystszych węgli zatrzymała się na poziomie jakości odpowiadającej posiadanym przez energetykę kotłów. Trzeba jednak przypomnieć, że wartość użytkowa 1 kalorii ciepła zawartego w paliwie obniża się proporcjonalnie do obciążenia tej kalorii popiołem i wilgocią. Wielkość tę wyraża się w gramach popiołu lub w gramach wilgoci na megakalorię ciepła. Paliwo staje się bezwartościowe dla użytkownika gdy węgiel nie zawierający wilgoci ma zapopielenie w
granicach 250 do 300 g/mcal lub gdy węgiel bezpopiołowy ma zawilgocenie w granicach 1700 do 1800 g/mcal. Zwiększenie zawartości popiołu o 1 g/mcal powiększa o 0,12% nakłady inwestycyjne na każdy 1 MW mocy zainstalowanej, natomiast zwiększenie zawartości wilgoci o 1g/Mcal zwiększa te nakłady o 0,3%. Ze wzrostem o 1g/Mcal zawartości wilgoci o 1 g/mcal zwiększa te nakłady o 0,3%. Ze wzrostem o 1g/Mcal zawartości wilgoci lub popiołu zużycie paliwa na 1 kwh wytworzoną brutto wzrasta o 0,3%. Mamy jednak pewien problem. Produkcja czystego węgla" musi kosztować. Użytkownicy ponieśliby większe koszty zakupu takiego paliwa. Jakie jest Pana zdanie na ten temat? Koszty wzbogacania węgla metodami grawitacyjnymi (w cieczach ciężkich czy w osadzarkach) w niewielkim stopniu zmieniają się w zależności od przyjętej zawartości popiołu w koncentracie. Można przyjąć, że różnice te są nieistotne. Problem polega jednak na tym, że im czystsze będą węgle, tym mniejszy będzie wychód koncentratu a więc mniejsza będzie ilość sprzedawanego produktu handlowego otrzymanego z danej ilości węgla surowego. A to oznacza, że koszty prowadzonych procesów rozkładać się będą na coraz mniejszą ilość wzbogaconego węgla. Rosnąć więc będzie musiała jego cena. I to uwzględnić trzeba będzie w systemie cen na węgiel. Ale pamiętać musimy, że na wyprodukowanie określonej ilości energii zużywać się będzie mniej węgla. Obniżą się więc koszty jego transportu do elektrowni, obniżą się koszty przygotowania węgla do spalania, poprawi się sprawność, mniej będzie odpadów elektrownianych, mniejsze będą emisje gazów a więc mniejsze będą koszty pozwoleń na emisje itd. Trzeba zrobić rachunek kosztów ciągnionych produkcji energii - od przodka w kopalni do dostarczenia prądu czy ciepła. Uwzględnić też trzeba będzie wymianę w elektrowniach układów nawęglania, kotłów itp. To złożony problem, ale jeżeli w wysokorozwiniętych krajach spala się węgle bardzo dobrej jakości to musi się to opłacać inaczej spalano by węgle surowe (z kamieniem). Tam spala się czyste węgle. Jak otrzymuje się czyste węgle"? Pierwszy etap tworzenia czystego węgla" oparty jest na klasycznych metodach jego wzbogacania. urobek węglowy poddawany jest procesom przeróbczym, które w cyklach wzbogacania uwzględniają usuwanie skały płonnej i wysokopopiołowych przerostów w separatorach cieczy ciężkiej, w osadzarkach, w cyklonach wodnych, w separatorach zwojowych oraz za pomocą flotacji. Układ technologiczny procesu przeróbczego, dobór poszczególnych metod wzbogacania, a nawet urządzeń uwarunkowany jest właściwościami poszczególnych kierowanych do przeróbki węgli. Kryterium decydującym jest stworzenie możliwości jak najdoskonalszego oczyszczania węgla surowego, a więc pełne odkamienienie urobku oraz usunięcie jak największej ilości wolnych ziaren pirytu będącego nośnikiem siarki. Klasyczne metody wzbogacania są, poza metodami flotacyjnymi, najtańszym sposobem zmniejszenie emisji zanieczyszczeń do atmosfery. Stopień oczyszczenia z popiołu i siarki węgla wzbogaconego na tym etapie jest zróżnicowany. Zależy od sposobu związania domieszek mineralnych z masą organiczną węgla oraz od procentowego udziału siarki organicznej i siarki pirytowej. Ponadto istotne jest, w jaki sposób związana jest siarka pirytowa z ziarnami urobku, tzn. czy tworzy zrosty z węglem, ze skałą płonną czy też są to uwolnione ziarna pirytowe. Technologie oczyszczania węgla przed spalaniem są znane Można je doskonalić jak będzie taka potrzeba. Niestety stopień wykorzystania obecnych zdolności produkcyjnych zakładów przeróbczych w zakresie wzbogacania węgla jest u nas niezadowalający. Co odróżnia krajowy poziom przeróbki mechanicznej węgla kamiennego od poziomu światowego? W zagranicznych zakładach przeróbki mechanicznej węgla, zgodnie z zasadą osiągania
maksymalnego zysku w procesach wzbogacania węgla, dąży się do maksymalnego odzysku substancji węglowej poprzez pogłębienie mechanicznego wzbogacania węgla. Zagraniczne zakłady przeróbki mechanicznej węgla kamiennego wyposażone są w nowocześniejsze i bardziej wydajne maszyny przeróbcze o wysokiej pewności ruchowej. Wprowadzając automatykę procesową można bardzo poważnie ograniczyć zatrudnienie. Standardowe zatrudnienie w zakładach przeróbczych wynosi zaledwie kilka osób na zmianę i jest wielokrotnie mniejsze niż w naszych zakładach. Obecny poziom przeróbki mechanicznej węgla kamiennego w Polsce jest z jednej strony odbiciem potrzeb odbiorców węgla, a z drugiej strony jest odbiciem poziomu technicznego produkcji maszyn przeróbczych. W USA bardzo głębokiemu wzbogacaniu poddawane są koncentraty węglowe lub węgle surowe o dobrych parametrach jakościowych. Węgiel kierowany jest do kruszenia, często selektywnego, w celu uwolnienia drobnych i bardzo drobnych wypryśnięć skały płonnej, w tym także bardzo drobno uziarnionych pirytów. Tak przygotowany materiał poddawany jest wzbogacaniu metodami: flokulacji selektywnej, aglomeracji, aglomeracji selektywnej, flotacji i innymi, np. ługowanie bakteryjne, wzbogacanie w ciekłym dwutlenku węgla. Większość tych procesów wymaga ściśle określonego reżimu technologicznego, a także odczynników o odpowiednich właściwościach. Większość tych procesów jest w Polsce znana i prowadzone są ich badania - niestety nie w kompleksowym programie czystych technologii węglowych. W niektórych z nich mamy osiągnięcia porównywalne, a w kilku przypadkach lepsze niż rezultaty amerykańskie. Słyszałem o zawiesinach węglowo-wodnych, które ponoć są uważane za przyszłościową alternatywę ropy czy gazu? Tworzenie takich mieszanek jest możliwe po wcześniejszym uzyskaniu bardzo czystego węgla. Pilotowe zakłady produkujące zawiesiny węglowo-wodne obejmują także sekcje przygotowania czystego węgla. Ważne tu jest zarówno odpowiednie rozdrabnianie, jak i dalsze wzbogacanie - i to najczęściej dostarczanych koncentratów węglowych. Prace nad tworzeniem mieszanek węglowo-wodnych wynikają z dwóch powodów. Jednym jest możliwość zwiększenia wydajności kotła oraz zmniejszenie emisji tlenków siarki, drugim zaś wyeliminowanie niestabilnej podaży ropy z zagranicy. Szacuje się obecnie, że przy wysokich cenach za baryłkę ropy zawiesiny węglowo-wodne mogą być w przyszłości konkurencyjne na rynku paliw przez długi czas. Co powinniśmy zrobić w tej sytuacji? Najwyższy czas by utworzyć w Polsce kompleksowy program badawczy dotyczący technologii czystego węgla, a obejmującego wszystkie cztery kierunki realizowane lub już zakończone w amerykańskim programie Clean Coal Technology. Jest to szczególnie pilne w zakresie pierwszego etapu programu amerykańskiego, tzn. oczyszczania węgla przed spalaniem, gdzie możliwe jest wdrożenie krajowych technologii opartych na zrealizowanych już programach badawczych. Dlatego też zaproponowałem by uzupełnić Program Działań Wykonawczych - Załącznik 3 Polityki energetycznej państwa do 2030 roku. W Priorytecie II. Działanie 2.9 wstawić do sposobu realizacji działań dodatkowy punkt o brzmieniu: Przygotowanie kompleksowego programu badawczo-wdrożeniowego w zakresie oczyszczania węgla przed spalaniem, eliminacji szkodliwych domieszek w trakcie spalania i oczyszczania spalin w celu zmniejszenia negatywnego wpływu na środowisko procesów pozyskania energii z węgla". Niestety wniosek mój nie został uwzględniony. Myślę, że nadal jest małe zrozumienie wagi problemu oczyszczania węgla przed spalaniem. Jestem przekonany, że dla poprawy sprawności przemian energetycznych: ochrony środowiska działania takie są w Polsce potrzebne, podobnie jak to robiono i rozwiązano w USA. Jeżeli program Czystych Technologii Węglowych ma przynieść wymierne efekty to poważnie trzeba potraktować pierwszy etap - etap oczyszczenia węgla przed spalaniem, a następnie rozwiązać w energetyce problemy związane ze spalaniem czystego węgla. Dziękuję za rozmowę
Notował: Jacek Balcewicz Wiesław Blaschke - profesor dr hab. inż. Absolwent Wydziału Górniczego AGH. Jest pracownikiem Wydziału Górnictwa i Geologii Politechniki Śląskiej. Opublikował ponad 360 artykułów, referatów, rozdziałów w podręcznikach, skryptów i książek. Jest redaktorem Przeglądu Górniczego, Inżynierii Mineralnej i Czasopisma Technicznego. Pełni funkcje Prezesa Stowarzyszenia Inżynierów i Techników Górnictwa oraz Polskiego Towarzystwa Przeróbki Kopalin. Jest członkiem Komitetów PAN: Górnictwa, Problemów Energetyki, Gospodarki Surowcami Mineralnymi; a także Komisji Nauk Technicznych PAU. Od 1990 roku jest przedstawicielem Polski w International Organizing Committee for International Coal Preparation Congress. Jest człokiem Coal Preparation Society of America. źródło: http://gigawat.info/index.html KONTAKT Gigawat Energia E-mail: energia@staszica.com WWW: www.gigawat.net.pl Tel.: 012/631-32-50