Technologie zgazowania węgla i ich przydatność dla potrzeb energetyki i chemii

200 UKD 622.333: 622.1: 550.8: 54: 338.45: 620.91: Technologie zgazowania węgla i ich przydatność dla potrzeb energetyki i chemii Coal gasification technologies and their applicability in power and chemical industry Dr Stanisław Porada* ) Dr inż. Grzegorz Czerski* ) Mgr inż. Tadeusz Dziok* ) Mgr inż. Przemysław Grzywacz* ) Treść: W artykule przedstawiono zarys historii rozwoju naziemnego zgazowania węgla na świecie. Omówiono klasyfikację reaktorów oraz dokonano porównania obecnie stosowanych technologii. Przedstawiono możliwość zastosowania technologii zgazowania w energetyce i przemyśle chemicznym. Ukazano również wskazówki przy doborze reaktorów. Abstract: This article presents an outline of the history of the ground-based coal gasification development worldwide. A classification of gasifiers was given as well as the currently used technologies were compared. The applicability of coal gasification technologies in power and chemical industry was presented. Alternatively, directions for the selection of gasifiers were presented. Słowa kluczowe: zgazowanie, węgiel, technologie, energetyka, chemia Key words: gasification, coal, technologies, power industry, chemical industry 1. Wprowadzenie Procesy zgazowania węgla można realizować w reaktorach naziemnych lub przeprowadzać je bezpośrednio w pokładzie węgla w naturalnych georeaktorach. Z uwagi na posiadanie własnych złóż węgla przez Polskę, prowadzone są w kraju * ) AGH w Krakowie, Wydział Energetyki i Paliw liczne prace badawcze w zakresie procesów zgazowania zarówno podziemnego jaki i naziemnego [1 8]. W niniejszym artykule opisano obecnie stosowane technologie zgazowania naziemnego oraz ich przydatność dla potrzeb energetyki i chemii. Proces produkcji gazu z węgla został po raz pierwszy skomercjalizowany przez szkockiego inżyniera Williama Murdocha już w 1792 roku. Uzyskiwany w wyniku ogrzewania węgla bez dostępu powietrza gaz, zwany gazem

Nr 2 PRZEGLĄD GÓRNICZY 201 świetlnym (później gazem miejskim), był wykorzystywany do oświetlania ulic. W XIX w. gaz miejski był powszechnie stosowany na świecie, a w ten sposób oświetlone zostały ulice m.in. Londynu i Bostonu. Jednakże wynaleziona przez Thomasa Edisona w latach 80. XIX wieku żarówka i późniejsza konkurencja gazu ziemnego na rynku odbiorców komunalnych i przemysłowych wstrzymały rozwój zgazowania paliw stałych. Powtórne zainteresowanie wytwarzaniem gazu z węgla nastąpiło w latach 1910 1925, kiedy to niemieccy uczeni Franz Fischer i Hans Tropsch opracowali metodę syntezy paliw ciekłych z gazu syntezowego otrzymywanego w procesie zgazowania węgla. Do końca II Wojny Światowej na świecie pracowało 12 instalacji produkujących paliwa ciekłe w procesie syntezy Fischera-Tropscha, z czego 9 na terenie Niemiec [9]. Po II wojnie światowej proces zgazowania węgla rozwijany był głównie w Republice Południowej Afryki. Brak własnych złóż ropy naftowej oraz polityka prowadzona przez rząd RPA wymusiła konieczność wybudowania zakładu produkującego paliwa ciekłe z węgla Sasol I, a później Sasol II i III. W USA ponowne zainteresowanie zgazowaniem nastąpiło w latach 70. ubiegłego wieku, co było związane ze światowym kryzysem energetycznym. Embargo na import ropy naftowej z krajów Bliskiego Wschodu spowodowało znaczący wzrost jej cen. Nie mniej jednak spadek cen ropy naftowej w połowie lat 80. wstrzymał rozwój technologii zgazowania. Historia znów zatoczyła przysłowiowe koło i w latach 90. rosnące ceny ropy naftowej oraz zaostrzające się przepisy środowiskowe przyczyniły się do ponownego zainteresowania procesami zgazowania węgla, które zaliczane są czystych technologii węglowych [9]. Obecnie obserwowany jest dynamiczny rozwój technologii zgazowania, a instalacji komercyjnych z każdym rokiem przybywa. Proces zgazowania jest bardzo elastyczny i pozwala w zależności od aktualnego zapotrzebowania wytwarzać energię elektryczną (układy IGCC Integrated Gasification Combined Cycle), produkować paliwa ciekłe, wodór, substytut gazu ziemnego lub też produkowany gaz może stanowić surowiec dla syntez chemicznych. Uzyskiwane sprawności wytwarzania energii elektrycznej są wyższe od konwencjonalnych elektrowni węglowych i dochodzą nawet do 50 %. 2. Klasyfikacja reaktorów zgazowania węgla Istnieje wiele kryteriów wg których można klasyfikować reaktory zgazowania. Kryteria podziału oraz stosowane rozwiązania konstrukcyjne przedstawiono w tablicy 1. Poniżej w syntetyczny sposób opisano najważniejsze różnice w użytkowanych reaktorach zgazowania. 2.1. Generacje technologii zgazowania Wyróżnia się trzy generacje reaktorów zgazowania węgla. Za pierwszą generację uznaje się reaktory, które nie są obecnie używane lub też wychodzą z użycia, np. Lurgi, Winkler, czy Koppers-Totzek. Do drugiej generacji zalicza się dojrzałe technologicznie i dominujące na rynku technologie takie jak m. in.: GE Texaco, Shell, ConocoPhilips E-Gas, Siemens, HTW High Temperature Winkler oraz BGL British Gas Lurgi. Do trzeciej generacji zaliczane są nowe rozwiązania reaktorów drugiej generacji oraz zupełnie nowe technologie takie jak.: KBR-Transport, reaktor kompaktowy PWR, chiński reaktor dyspersyjny OMB Opposed Multi-Burner, czy też reaktor MHI firmy Mitsubishi Heavy Industries [10]. 2.2. Rodzaj stosowanego złoża Ze względu na rodzaj stosowanego złoża reaktory zgazowania węgla można podzielić na trzy zasadnicze typy (rys. 1.): reaktory ze złożem zwartym przesuwnym, reaktory ze złożem fluidalnym, reaktory dyspersyjne. Reaktory ze złożem przesuwnym zasilane są węglem kawałkowym o rozmiarach 5 80 mm. Umożliwiają one wykorzystanie paliw o dość dużej zawartości popiołu (do 35 %). Proces może być prowadzony w zakresie ciśnień 3 10 MPa. Reaktor zasilany jest węglem od góry, który przemieszczając się ku dołowi jest kolejno ogrzewany, suszony, odgazowany, a następnie zgazowywany przy pomocy pary wodnej i ditlenku węgla a pozostały karbonizat dopalany. W strefie spalania osiągana jest najwyższa temperatura w złożu wynosząca 1500 1800 C dla reaktorów z ciekłym odprowadzaniem żużla i 1100 1300 C dla reaktorów odprowadzających popiół suchy. Aby zapewnić wydajny transport ciepła i masy wymagana jest dobra gazoprzepuszczalność złoża, co ogranicza zastosowanie węgli spiekających się. Węgiel pozostaje w rektorze przez 15 60 min przy zastosowaniu wysokiego ciśnienia, pary wodnej i tlenu, jako czynników zgazowujących oraz kilka godzin w przypadku ciśnienia atmosferycznego i wykorzystaniu mieszaniny powietrza i tlenu. Wadą tego typu reaktorów jest duży gradient temperatur oraz, w zależności od zastosowanego kierunku przepływu gazu, duża zawartość smoły w gazie [12]. Tablica 1. Klasyfikacja reaktorów zgazowania Table 1. Classification of the gasifiers Klasyfikacja Podział Generacja I II III Rodzaj złoża przesuwne fluidalne dyspersyjne Kierunek przepływu paliwa przez reaktor ku górze ku dołowi Kierunku przepływu gazów względem węgla współprądowy przeciwprądowy Sposób odbierania substancji mineralnej popiół żużel Sposób dozowania węgla suchy zawiesina Ilość stopni dozowania surowca jednostopniowe dwustopniowe Budowa ściany reaktora wymurówka ogniotrwała ekran wodny ekran wodny + warstwa żużla Sposób chłodzenia gazu wymiennik ciepła (radiacyjny, konwekcyjny) bezpośredni natrysk wodny chłodzenie chemiczne Czynnik zgazowujący tlen + para powietrze + para Sposób dostarczenia ciepła autotermiczne allotermiczne cyrkulacja gazu

202 Rys. 1. Typy złóż stosowane w reaktorach zgazowania węgla [11] Fig. 1. Coal beds applied in gasifiers [11] Reaktory fluidalne są obecnie najrzadziej wykorzystanymi typami generatorów gazu dla potrzeb zgazowania węgla. Węgiel wymaga rozdrobnienia do rozmiarów 0,5 6 mm. Paliwo jest wprowadzane do reaktora od dołu, podobnie jak czynnik zgazowujący, który zarazem pełni rolę medium fluidyzującego. Czas reakcji wynosi 10 100 s, ale może być dłuższy w zależności od ilości surowca oraz dostarczania ciepła. Dobre wymieszanie reagentów zapewnia równomierny rozkład temperatury w złożu, która osiąga wartości 900 1050 C, czyli poniżej temperatur topliwości popiołu. Popiół usuwany jest w postaci suchej lub aglomeratów. Z związku ze stosunkowo niską temperaturą prowadzenia procesu osiągany jest niższy stopień konwersji węgla, co skutkuje również niższą sprawnością procesu. Ze względu na niską temperaturę panującą w reaktorach fluidalnych, najbardziej nadają się one do zgazowania węgli wysokoreaktywnych tj.: węgli brunatnych lub niskouwęglonych węgli kamiennych. Zaletą reaktorów fluidalnych jest wysoka elastyczność pracy [12]. Reaktory dyspersyjne są obecnie najbardziej rozpowszechnione. Są one również najbardziej wszechstronnymi, z punktu widzenia stosowanego paliwa, typami generatorów, w których zgazowaniu można poddawać paliwa stałe i ciekłe. W tego typu reaktorach rozdrobnione paliwo natychmiastowo reaguje z parą wodną i tlenem lub powietrzem. Zmielony węgiel poniżej 0,1 mm może być dostarczany do generatora w postaci suchej (lub w zawiesinie wodno-węglowej). Czas reakcji trwa zaledwie kilka sekund, dzięki czemu reaktory mają dużą wydajność. Proces zgazowania w reaktorach dyspersyjnych zachodzi w wysokich temperaturach 1200 1600 C i przy ciśnieniu 2 8 MPa. Wysoka temperatura w reaktorze wymaga stosowania do ich konstrukcji odpowiednich materiałów ogniotrwałych, ale zapewnia wysoki stopień konwersji węgla, a gaz syntezowy pozbawiony jest smoły. Wysoka temperatura gazu opuszczającego reaktor wymaga stosowania wysokosprawnych układów chłodzenia gazu. Popiół w reaktorze topi się i grawitacyjnie spływa po ściankach reaktora w dół, gdzie jest odbierany w formie ciekłego żużla [12]. 2.3. Kierunek przepływu węgla i gazów przez reaktor Przepływ węgla i gazów przez reaktor realizowany jest w różnych wariantach w zależności od zastosowanego złoża w reaktorze. Dla reaktorów ze złożem stałym węgiel zawsze podawany jest od góry reaktora i przepływa ku dołowi. Różnica następuje w przepływie gazów, które mogą poruszać się w reaktorze współprądowo (z góry w dół) lub w przeciwprądzie (z dołu ku górze). W reaktorach fluidalnych proces realizowany jest współprądowo. Różnica w układach fluidalnych odnosi się do możliwości zastosowania pętli recyrkulującej i zawracaniu do reaktora wydzielonego w cyklonie karbonizatu. W przypadku reaktorów dyspersyjnych wyróżnia się dwie konfiguracje: dozowanie węgla u dołu reaktora i przepływ gazów ku górze, bądź też dozowanie węgla od góry i przepływ gazów ku dołowi (rys. 2). 2.4. Sposób odbierania substancji mineralnej Realizowane są dwa sposoby odbioru substancji mineralnej z reaktora: w postaci popiołu lub żużla. Zastosowany sposób odbioru substancji mineralnej uwarunkowany jest temperaturą w reaktorze. Dla reaktorów, w których popiół odbierany jest w formie niestopionej temperatura procesu powinna znajdować się poniżej temperatury spiekania. Praca w warunkach powyżej temperatury spiekania, a poniżej mięknięcia może powodować powstawanie narostów. Z kolei dla reaktorów, w których popiół odbierany jest w postaci żużla, temperatura procesu powinna być wyższa od temperatury płynięcia. W przypadku węgli charakteryzujących się wysokimi temperaturami płynięcia popiołu, w celu ich obniżenia można stosować dodatek topników. Przyjmuje się, że stabilną pracę reaktorów z ciekłym odbiorem żużla można osiągnąć dla lepkości popiołu poniżej 25 Pa s [10]. 2.5. Sposób dozowania surowca Sposób dozowania paliwa i stopień jego rozdrobnienia zależy od typu stosownego reaktora. W reaktorach ze złożem przesuwnym stosuje się ziarna węglowe o rozmiarach 3 60 mm. Dla potrzeb reaktorów fluidalnych wymagane jest roz-

Nr 2 PRZEGLĄD GÓRNICZY 203 Rys. 2. Przepływ gazów i węgla w reaktorach dyspersyjnych [13] Fig. 2. Flow-type of gas and coal in entrained flow gasifiers [13] drobnienie paliwa do wielkości 0 6 mm. Dozowanie węgla do reaktorów ze złożem stałym odbywa się poprzez system śluz, a do reaktorów fluidalnych w sposób grawitacyjny lub przy wykorzystaniu podajnika ślimakowego. W przypadku reaktorów dyspersyjnych węgiel musi być mielony do wielkości ziaren poniżej 0,1 mm. Dla tego typu reaktorów wykorzystywany może być dwojaki system dozowania surowca: suchy i mokry. Dozowanie suche realizowane jest w strumieniu sprężonego azotu. Z kolei dozowanie mokre odbywa się w postaci zawiesiny wodno-węglowej o koncentracji ziaren węgla 50 60%. Suche dozowanie charakteryzuje się niższym o 25 30% zapotrzebowaniem na tlen. Niższe zapotrzebowanie na tlen powoduje mniejszą konsumpcję energii przez tlenownię, a tym samym wyższą sprawność całego układu IGCC. W reaktorach z dozowaniem węgla w zawiesinie wodnej potrzebna jest dodatkowa porcja energii dla potrzeb odparowania wody. Energia w reaktorach uzyskiwana jest w wyniku reakcji węgla z tlenem i stąd występuje zwiększone zapotrzebowanie na tlen. Nie mniej jednak suche dozowanie jest droższym rozwiązaniem, wymagającym bardziej masywnego osprzętu oraz złożonego systemu zaworów. Dozowanie węgla w zawiesinie wodnej również nie jest prostym procesem technologicznym, ale w porównaniu do dozowania suchego jest mniej skomplikowane. Ponadto dozowanie w systemie suchym ma ograniczone maksymalne ciśnienie dozowania na poziomie 50 bar, a w zawiesinie wodnej 200 bar. Należy również wspomnieć, iż dozowanie mokre wyklucza możliwość stosowania węgli brunatnych [14]. 2.6. Liczba stopni dozowania paliwa W reaktorach zgazowania stosuje się jednostopniowe lub dwustopniowe dozowanie węgla. Dozowanie dwustopniowe surowca pozwala uzyskać wyższe sprawności dla układów IGCC, ale jednocześnie jest rozwiązaniem bardziej skomplikowanym i trudniejszym do kontrolowania. Ponadto w porównaniu do jednostopniowego dozowania gaz opuszczający reaktor zawiera smołę i nieprzereagowany karbonizat, który wymaga zawracania z powrotem do reaktora. Porównanie reaktorów w układach jedno i dwustopniowego dozowania przedstawiono na rysunku 3. 2.7. Budowa ściany reaktora W obecnie stosowanych reaktorach zgazowania wykorzystywane są trzy rozwiązania budowy ścian: wymurówka ogniotrwała, ekran wodny, ekran wodny z ciekłą warstwą żużla. Różnice w konstrukcji, sposobie działania oraz cechy charakterystyczne w/w rozwiązań przedstawiono w tablicy 2. 2.8. Sposób chłodzenia gazu Obecnie stosowane reaktory wykorzystują różne sposoby chłodzenia produkowanego gazu: chłodzenie gazu w wymiennikach z produkcją pary, chłodzenie gazu bezpośrednim natryskiem wodnym, chłodzenie chemiczne, cyrkulacja gazu. Możliwe jest stosowanie jednego systemu chłodzenia lub łączenie kilku w różnych konfiguracjach (rys. 4). Reaktory wyposażone w pierwszy typ chłodzenia charakteryzują się wyższą sprawnością w układach IGCC. Nie mniej jednak jest to rozwiązanie droższe, bardziej skomplikowane i cechujące się znacznie większymi gabarytami urządzeń. Koszt reaktorów z bezpośrednim chłodzeniem wodnym jest o około 30 % niższy [16]. Chłodzenie chemiczne realizowane jest poprzez dwustopniowe dozowanie surowca. Rozwiązanie to cechuje najwyższa sprawność układu IGCC, ale jednocześnie wyższa zawartość nieprzereagowanego karbonizatu wymagającego jego recyrkulacji. Chłodzenie gazem cyrkulującym polega na zawróceniu części strumienia ochłodzonego gazu i zmieszaniu go ze strumieniem gorącym. 2.9. Czynnik zgazowujący Obecnie w reaktorach zgazowania stosowane są dwa rodzaje czynników zgazowujących: mieszanina pary wodnej z tlenem lub z powietrzem. Zauważalny jest znaczący wpływ koncentracji tlenu na zimną sprawność procesu. Im wyższa koncentracja tlenu w czynniku zgazowującym tym wyższa

204 Rys. 3. Proces jednostopniowego (a) i dwustopniowego (b) dozowania węgla. Fig. 3. Single-stage (a) and two-stage (b) coal batching process Tablica 2. Budowa ścian reaktora zgazowania [10,14,15] Table 2. Construction of the reactor s walls [10,14,15] Wymurówka ogniotrwała Ekran wodny bez warstwy żużla Ekran wodny z ciekłą warstwą żużla Niskie straty ciepła Jako wymurówkę stosuje się wysokiej jakości cegły korundowe (99 % Al 2 O 3 ) o wytrzymałości termicznej do 1600 C Ciągłe problemy z niszczeniem wymurówki Konieczność okresowej wymiany wymurówki Najprostsze i najtańsze rozwiązanie Niskie straty ciepła Wysoka odporność Niskie naprężenia termiczne W płaszczu wodnym produkowana jest niskiej jakości para Niewysokie koszty Duże straty ciepła Duża wytrzymałość nawet do 20 lat Umożliwia zmniejszenie wymiarów reaktora Zapewnia lepszą dyspozycyjność reaktora Samo tworząca i odnawiająca się żużlowa powłoka ochronna W wężownicy może być produkowana para (do 100 bar) Wysokie koszty

Nr 2 PRZEGLĄD GÓRNICZY 205 Rys. 4. Sposoby chłodzenia gazu [10] Fig. 4. Methods of gas cooling [10] sprawność, a im niższa koncentracja tym sprawność niższa. Spadek sprawności związany jest z koniecznością ogrzania azotu (balastu), który jest zawarty w powietrzu do temperatury procesu [14]. Możliwe jest również stosowanie jako czynnika zgazowującego ditlenku węgla lub wodoru. 2.10. Sposób doprowadzenia ciepła Niezbędne dla procesu zgazowania ciepło może być dostarczane na dwa sposoby, a tym samym można wyróżnić procesy autotermiczne i allotermiczne. W procesach autotermicznych ciepło dostarczenie jest do reaktora poprzez kontrolowane spalenie części surowca. Z kolei w procesach allotermicznych ciepło dostarczane jest do reaktora poprzez zastosowanie zamkniętego obiegu inertnego składnika. W procesach allotermicznych można wykorzystywać np. cyrkulację rozgrzanego piasku, albo gorącego popiołu. Do ogrzania składnika inertnego konieczne jest wykorzystanie zewnętrznego źródła energii. 3. Porównanie obecnie stosowanych technologii zgazowania węgla Obecnie stosowanych jest szereg technologii zgazowania węgla. Porównanie technologii uwzględniające w/w kryteria przedstawiono w tablicy 3. Z uwagi na fakt, iż dominującą na rynku zgazowania grupą technologii są reaktory dyspersyjne w tablicy 4 przedstawiono porównanie parametrów technologicznych wiodących na rynku technologii zgazowania węgla w złożu dyspersyjnym. Pomimo różnic konstrukcyjnych pomiędzy poszczególnymi reaktorami realizacja procesu jest w zasadzie niezmienna, co schematycznie przedstawiono na rysunku 5. Zatem wybór konkretnej technologii uzależniony jest od kierunku jej zastosowania. Zastosowanie jednego typu reaktorów będzie bardziej korzystne dla wytwarzania energii elektrycznej, a innych dla potrzeb przemysłu chemicznego (produkcja paliw ciekłych i gazowych, amoniaku, metanolu). Ponadto ostateczny wybór reaktora będzie podyktowany indywidualnymi właściwościami wytypowanego węgla. Szczególnie istotnymi cechami węgla wpływającymi na pracę reaktora i jego wysoką dyspozycyjność są właściwości popiołu: temperatury topliwości popiołu oraz lepkość ciekłego żużla. 4. Technologie zgazowania węgla w energetyce i chemii Różnice w uzyskiwanych sprawnościach układów IGCC dla poszczególnych rozwiązań konstrukcyjnych przedstawiono w tablicy 5. Suche dozowanie węgla jest korzystniejszym rozwiązaniem niż stosowanie zawiesiny wodno-węglowej. W przypadku dozowania węgla w zawiesinie wodnej znaczące podniesienie sprawności może być uzyskane dzięki jej wstępnemu podgrzaniu. Najwyższą skuteczność można osiągnąć wykorzystując reaktory z dwustopniowym dozowaniem surowca. Z kolei przewagę nad bezpośrednim natryskiem wodnym ma chłodzenie cyrkulującym gazem, czy też chłodzenie w wymiennikach ciepła [14]. Spośród reaktorów dyspersyjnych najwyższymi sprawnościami w układach IGCC odznaczają się reaktory MHI. Reaktor MHI jest obecnie testowany w skali demonstracyjnej, a w najbliższym czasie planowana jest budowa instalacji komercyjnych. Bardzo wysokie sprawności mogą być również osiągnięte w reaktorach komercyjnie dojrzałych technologii

206 Tablica 3. Charakterystyka reaktorów zgazowania węgla BGL British Gas Lurgi, HTW High Temperature Winkler, U-Gas, KBR- Kellogg, Brown and Root, GE - General Electric, OMB - Opposed Multi-Burner, MHI - Mitsubishi Heavy Industries Table 3. Characteristics of coal gasifiers: BGL British Gas Lurgi, HTW High Temperature Winkler, U-Gas, KBR- Kellogg, Brown and Root, GE - General Electric, OMB - Opposed Multi-Burner, MHI - Mitsubishi Heavy Industries Klasyfikacja Lurgi BGL HTW U-Gas KBR Sheel Siemens Prenflo GE OMB E-Gas MHI Przesuwane X X Typ złoża Fluidalne X X X Dyspersyjne X X X X X X X Kierunek przepływu węgla przez Ku górze X X X X X X X reaktor Ku dołowi X X X X X Kierunek przepływu gazów względem węgla Sposób odbierania substancji mineralnej Sposób dozowania węgla Ilość stopni dozowania surowca Budowa ściany reaktora Sposób chłodzenia gazu Czynnik zgazowujący Sposób ogrzewania Współprądowy X X X X X X X X X X Przeciwprądowy X X Popiół X X X X Żużel X X X X X X X X Suchy X X X X X X X X X X Zawiesina X X X Jednostopniowe X X X X X X X X X X Dwustopniowe X X Wymurówka ogniotrwała X X X X Ekran wodny X X X X X Ekran wodny + warstwa żużla X X X X Odzysk ciepła w wymiennikach X X X X X X X X X Bezpośrednie chłodzenie wodne X X X X X X X X X Chemiczne X X Tlen X X X X X X X X X X X Powietrza X X X X X Autotermiczne X X X X X X X X X X X X Allotermiczne Rys. 5. Schemat blokowy technologii zgazowania Fig. 5. Block diagram of coal gasification technology

Nr 2 PRZEGLĄD GÓRNICZY 207 Tablica 4. Porównanie reaktorów zgazowania węgla w złożu dyspersyjnym Table 4. Comparison of gasifiers in dispersion deposit Parametr Jedn. Shell GE Texaco Prenflo Siemens E-Gas Reaktor Temperatura C 1300-1400 1600 1260-1480 1200-1600 1300-1800 (1000)* Ciśnienie MPa 2,5-4,5 3-7 2,5 2-4 2,9 Zużycie surowca Mg/h 112,5 95,8 108,3 83,3 104,2 Nominalna produkcja gazu m 3 /h 340 000 184 000 180 000 142 000 180 000 Wydajność gazu w odniesieniu do paliwa m 3 /kg 2,1 1,9 1,7 1,7 1,7 Temperatura gazu na wyjściu z reaktora C 1000 730 800 200 1000 Stopień konwersji węgla % 99,8 99,8 99 99,8 97,5-99,1 Sprawność zimnego gazu % 80-83 77 74 80,1 70 Medium zgazowujące tlen (95%) + para tlen (95%) + para tlen (85%) + para tlen (95%) + para tlen (95%) + para Tlen do zgazowania kg / kg paliwa 0,74 0,84 0,88 0,75 0,72 Para do zgazowania kg / kg paliwa 0,03 Nie dotyczy 0,09 0,11 Nie dotyczy Azot do transportu paliwa kg / kg paliwa 0,076 Nie dotyczy 0,26 0,25 Nie dotyczy Woda do zawiesiny kg / kg paliwa Nie dotyczy 0,6 Nie dotyczy Nie dotyczy 0,52 Chłodzenie gazu Ilość stopni chłodzenia gazu 2 2 2 1 2 Temperatura - I stopień chłodzenia C 1000 a) 730 c) 400 e) 200-220 f) 1000 g) Temperatura - II stopień chłodzenia C 235 b) 370-425 d) 235 d) - 370 d) a) chłodzenia gazu ekranem wodnym i zawracanym gazem b) chłodnica konwekcyjna wytwarzająca parę wysokociśnieniową i średniociśnieniową c) wymiennik radiacyjny wytwarzający parę wysokociśnieniową d) wymiennik konwekcyjny wytwarzający parę wysokociśnieniową e) kocioł konwekcyjny f) bezpośrednie chłodzenie wodne g) dwustopniowe dozowanie węgla Sposób odpylania Odbiór żużla/popiołu Filtry ceramiczne Mokry skruber Filtry ceramiczne Mokry skruber Cyklon, filtry ceramiczne Paliwo Stopień rozdrobnienia mm 0,1 0,1 0,05 0,04 0,1 Sposób podawania Suchy Zawiesina Suchy Suchy Zawiesina Dodatki Nie dotyczy Obniżające lepkość zawiesiny Kamień wapienny Nie dotyczy Obniżające lepkość zawiesiny Produkt gazowy CO % 61,3 44,1 59,3 64 35,2 H 2 % 27,6 38,0 21,4 27 33,5 CO 2 % 2,2 14,7 2,8 3 26,7 N 2 % 4,1 2,3 14,3 5,1 0,5 Ar % 0,8 0,9 0,9 0,8 1,2 CH 4 % 0,1 0,05 0,04 0,1 1,8 H 2 S % 1,15 0,04* 0,83 0,46 0,3 COS ppm 848-3100 400 2000 Ciepło spalania MJ/Nm 3 11,6 10,3 10,1 11,1 9,3 Wartość opałowa MJ/Nm 3 11,0 9,6 9,7 10,6 8,5 *) temperatura w drugim stopniu **) COS + H 2 S

208 Tablica 5. Sprawność układów IGCC w zależności od zastosowanej technologii w reaktorach dyspersyjnych [14] Table 5. IGCC efficiency depending on the applied technology in entrained flow gasifiers [14] Sposób dozowania węgla Sposób chłodzenia Warunki Zawiesina Zawiesina Zawiesina w 320 C Suche dozowanie Suche dozowanie bezpośredni natrysk wodą cyrkulacja gazu cyrkulacja gazu cyrkulacja gazu dwustopniowe dozowania surowca 64 bar 1500 C 64 bar 1500 C 64 bar 1500 C 32 bar 1500 C 32 bar 1100/1500 C Zimna sprawność układu IGCC (dla wartości opałowej) Technologia 37,8 % GE 43,6 % GE, E-Gas 48,8 % GE, E-Gas 50,0 % Shell, Prenflo, Siemens 50,9 % MHI Shell, Prenflo i Siemens, a o około 1 procent niższe w reaktorach GE Texaco i E-Gas. Z kolei w przemyśle chemicznym zastosowanie mogą znaleźć wszystkie typy reaktorów, bez względu na stosowane rozwiązania chłodzenia gazu, czy dozowania węgla. Dla potrzeb chemii istotna jest jakość produkowanego gazu, która zależeć będzie przede wszystkim od zastosowanego za reaktorem węzła oczyszczania i kondycjonowania gazu. Nie mniej jednak ważną kwestię przy wyborze technologii może stanowić aspekt ekonomiczny. Wersje reaktorów z chłodzeniem gazu bezpośrednim natryskiem wodnym są rozwiązaniem tańszym, a ich gabaryty są znacznie mniejsze [16]. Również dozowanie węgla w zawiesinie wodnej ze względu na niższe koszty i mniej skomplikowaną budowę wydaje się być rozwiązaniem korzystniejszym. Biorąc pod uwagę powyższe kryteria dla potrzeb przemysłu chemicznego można wytypować reaktor GE i E-Gas, a w dalszej kolejności wersje rektorów z bezpośrednim chłodzeniem wodnym i suchym dozowaniem paliwa: Shell, Siemens, Prenflo. 5. Podsumowanie Na rynku zgazowania dostępnych jest wiele technologii umożliwiających z powodzeniem realizowanie procesu naziemnego zgazowania węgla. Poszczególne technologie różnią się indywidualnymi rozwiązaniami technologicznymi, nie mniej jednak nie wpływa to w sposób znaczący na realizację procesu. Wśród oferowanych technologii można wyróżnić te, które dedykowane są dla potrzeb energetyki oraz te, które preferowane będą dla chemii. Główną przesłanką do wybory technologii dla energetyki jest uzyskiwana w układach IGCC sprawność. Dla chemii każdy z reaktorów możne znaleźć zastosowanie, ponieważ istotna dla przemysłu chemicznego jakość gazu zależy przede wszystkim od zastosowanego za reaktorem węzła oczyszczania i kondycjonowania gazu. Należy pamiętać, iż przed wyborem reaktora należy najpierw wytypować węgiel oraz określić jego reakcyjność względem czynnika zgazowującego. Ponadto należy określić parametry charakteryzujące topliwość popiołu i lepkość żużla, które w bardzo znaczący sposób wpływają na prawidłową pracę reaktora. Przy wyborze reaktora trzeba również mieć na uwadze, iż dozowanie węgla w zawiesinie wodno-węglowej wyklucza stosowanie węgli brunatnych. Na zakończenie należy podkreślić, iż osiągana na chwilę obecną dyspozycyjność reaktorów kształtuje się na poziomie 70 80 %, co w przypadku zastosowań komercyjnych stanowi ważną przeszkodę. Badania wykonano w ramach Zadania badawczego Opracowanie technologii zgazowania węgla dla wysokoefektywnej produkcji paliw i energii elektrycznej finansowanego przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju. Literatura 1. Ściążko M., Dreszer K.: Produkcja paliw ciekłych i gazowych z węgla. Przegląd Górniczy 2011 (vol 66), nr 7-8, s. 176 182. 2. Czaplicka-Kolarz K., i inni: Ekoefektywność technologii podziemnego zgazowania węgla metodyka i dotychczasowe doświadczenia. Przegląd Górniczy 2011 (vol 66), nr 10, s. 33-44. 3. Chmielniak T., Ściążko M.: Technologie zgazowania węgla, Karbo 2007, nr 2, s. 93 97. 4. Chmielniak T., Dreszer K.: Uwarunkowania techniczne i ekonomiczne nowych technologii wykorzystania węgla, CHEMIK Nauka-Technika- Rynek 2010 (vol 63), nr 11. s. 759 772. 5. Chmielniak T., Ściążko M.: State of Development and Analysis of Available Gasification Technologies Used for Solid Fuels and Wastes. Development of coal, biomass and wastes gasification technologies with particular interest on chemical sequestartion of CO 2, A. Strugała (Ed.), ISBN: 978-83-931791-1-4, AKNET, Kraków 2012. 6. Kotyrba A.: Zmiany struktury węgla w procesie modelowania podziemnego zgazowania. Przegląd Górniczy 2011 (vol 66), nr 3-4, s.48 54. 7. Pomykała D., Mazurkiewicz M.: Wybrane właściwości odpadów ze zgazowania węgla. Przegląd Górniczy 2011 (vol 66), nr 1-2, s.100 103. 8. Krowiak A.: Model numeryczny obliczania opłacalności projektu podziemnego zgazowania węgla. Przegląd Górniczy 2011 (vol 66), nr 9, s.90 93. 9. Department of Energy USA, National Energy Technology Laboratory: Gasifipedia. http://www.netl.doe.gov/technologies/coalpower/gasification/gasifipedia/toc.html (dostęp 17.11.2012 r.) 10. Gräbner M.: Overview on Industrial Coal Gasification Technologies. Compact Course Gasification, Freiberg 609.06.2012 r. 11. Praca zbiorowa pod redakcją Borowieckiego T., Kijńskiego J., Machnikowskiego J., Ściążko M.: Czysta energia, produkty chemiczne i paliwa z węgla ocena potencjału rozwojowego. Zabrze Wydawnictwo IChPW 2008. 12. Minchener A. J.: Coal gasification for advanced power generation. Fuel 2005 (vol 84), s. 2222 2235. 13. Krzack S: Grundlagen der Vergasung. Die Veredlung und Umwandung von Kohle, technologien und projekte 1970 bis 2000 in Deutchland. DGMK 2008, s. 299 306. 14. Higman C., van der Brugt M.: Gasification Second edition. Elsevier Science 2003. 15. Morehead H.: Siemens Gasification and IGCC Update. PowerGEN International, Orlando 03.12.2008 r. 16. Radtke K.: PRENFLO PSG and PDQ. The 9th European Gasification Conference. Düsseldorf 23 25.03.2009 r.