POLITYKA ENERGETYCZNA Tom 13 Zeszyt 2 2010 PL ISSN 1429-6675 Piotr BURMISTRZ*, Tomasz CHMIELNIAK**, Aleksander KARCZ*, Marek ŒCI KO** Analiza porównawcza produkcji wodoru i zwi¹zanej z ni¹ emisji CO 2 przy zgazowaniu wêgla kamiennego w reaktorach Shell oraz Texaco STRESZCZENIE. Dokonano analizy porównawczej podstawowych wskaÿników produkcji wodoru ze zgazowania wêgla kamiennego typu 31 w dwóch rodzajach generatorów: z suchym doprowadzeniem paliwa oraz z doprowadzeniem paliwa w zawiesinie wodnej (na przyk³adzie technologii Shell i GE/Texaco). Do obliczeñ procesowych wykonanych w symulatorze procesowym ChemCAD przyjêto konfiguracjê uk³adu, bazuj¹c¹ na rozwi¹zaniach technologicznych dostêpnych w skali komercyjnej. Obliczono parametry g³ównych strumieni procesowych, a w formie wykresów Sankey a przedstawiono bilanse masowe i energetyczne. Dokonano oceny struktury wskaÿników emisji CO 2 powstaj¹cego w ca³ym cyklu wytwarzania wodoru, pocz¹wszy od pozyskania, przeróbki mechanicznej i transportu wêgla do zak³adu zgazowania (LCA). Obliczenia wykonano dla przypadku z i bez sekwestracji CO 2.Korzystniejsze wyniki z uwagi na uzysk wodoru oraz ograniczenie emisji CO 2 uzyskano dla wersji z zastosowaniem reaktora z suchym doprowadzeniem paliwa. S OWA KLUCZOWE: wêgiel kamienny, zgazowanie, produkcja wodoru, emisja CO 2 Zgazowanie wêgla jest technologi¹, której praktyczne pocz¹tki siêgaj¹ XIX w., kiedy w 1887 r. opatentowano gazogenerator Lurgiego z przesuwnym z³o em wêgla. Technologia ta przesz³a wiele transformacji i ci¹gle jest stosowana w przemyœle dla zgazowania wêgli kawa³kowych. W drugiej po³owie XX w. nast¹pi³ pierwszy renesans technologii zgazo- * Dr in. Katedra Technologii Paliw, Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków. ** Prof. dr hab. in. Instytut Chemicznej Przeróbki Wêgla, Zabrze. 63
wania, a obecnie prze ywamy kolejny. W obszarze zastosowañ przemys³owych dominuj¹ obecnie nowe i ciagle rozwijane konstrukcje reaktorów zgazowania py³u wêglowego, a jak wskazuj¹ doœwiadczenia historyczne osi¹gniêcie pe³nej dojrza³oœci przemys³owej nowo opracowanej technologii zajmuje 10 15 lat. Konstrukcje reaktorów zgazowania mo na podzieliæ na trzy zasadnicze typy w zale - noœci od struktury przep³ywu paliwa w strefie reakcyjnej [1 3]: reaktory dyspersyjne (entrained flow), reaktory ze z³o em fluidalnym (fluidised bed), reaktory ze z³o em zwartym przesuwnym (moving bed). Najbardziej perspektywiczna jest grupa reaktorów dyspersyjnych, w których rozdrobniony wêgiel i inne paliwa doprowadzone s¹ do strefy reakcji w mieszaninie z tlenem i par¹ wodn¹. Paliwo mo e byæ wprowadzone w stanie suchym lub w zawiesinie wodnej. Reaktory pracuj¹ zwykle w temperaturach 1200 1600 C i pod ciœnieniem 2 8 MPa (wiêkszoœæ instalacji komercyjnych pracuje przy ciœnieniach 2,5 MPa). Krótki czas przebywania (kilka sekund) wêgla w uk³adzie reakcyjnym pozwala na osi¹gniêcie du ej wydajnoœci, ale jednoczeœnie wymaga rozdrobnienia podawanego paliwa do wielkoœci ziarna poni ej 0,1 mm. Ze wzglêdu na ma³¹ koncentracjê zawieszonego py³u, a zatem ma³¹ pojemnoœæ ciepln¹ i krótki czas przebywania paliwa w reaktorze, szczególnie istotnymi w przypadku konstrukcji tych reaktorów s¹ kontrola i precyzyjne utrzymywanie stosunku paliwo/utleniacz w w¹skim przedziale zapewniaj¹cym stabilny p³omieñ w pobli u wylotu in ektora. Reaktory dyspersyjne s¹ bardzo elastyczne pod wzglêdem zmian w³aœciwoœci stosowanych paliw, co daje mo liwoœæ u ycia zarówno paliw sta³ych jak i p³ynnych. Wysoka temperatura rdzenia p³omienia zgazowuj¹cego, przekraczaj¹ca temperaturê p³yniêcia popio³u, zapewnia wysoki stopieñ konwersji wêgla i brak zanieczyszczeñ smolistych w wytwarzanym gazie. Spoœród reaktorów dyspersyjnych, dominuj¹cy udzia³ w produkcji gazu maj¹ technologie GE Energy/Texaco oraz Shell. W technologii GE Energy/Texaco (rys. 1), zawiesina wodno-wêglowa i tlen z uk³adu separacji powietrza doprowadzane s¹ poprzez uk³ad zaworów do in ektora mieszanki wsadowej w górnej czêœci reaktora (1), gdzie zachodzi proces zgazowania w temperaturze 1260 1480 C. Gor¹cy gaz procesowy wraz ze stopionym popio³em przep³ywa do dolnej czêœci reaktora ch³odnicy radiacyjnej, gdzie ulega sch³odzeniu do oko³o 600 700 C, a nastêpnie wyprowadzany jest z reaktora do ch³odnicy konwekcyjnej (2) i skrubera (3), a nastêpnie do separatora wody (4). W ch³odnicach radiacyjnej i konwekcyjnej produkowana jest para wysokociœnieniowa. Stopiony popió³ sp³ywa do k¹pieli wodnej w dolnej czêœci reaktora, sk¹d po zestaleniu i och³odzeniu ( u el gruby) wyprowadzany jest poprzez zamkniêcie œluzowe (5), a nastêpnie po oddzieleniu wody kierowany jest uk³adem przenoœników na sk³adowisko odpadów. Drobny u el wydzielony w skruberze wraz z wod¹ zraszaj¹c¹ kierowany jest do osadnika, do którego doprowadzana jest równie zanieczyszczona woda z odwadniania u la. Szlam wydzielony w osadniku, zawieraj¹cy drobny u el, kierowany jest na sk³adowisko odpadów. z osadnika zawracana jest do skrubera oraz do reaktora, a jej nadmiar poddawany jest oczyszczeniu. Do tego uk³adu wprowadzana jest równie woda surowa w celu odœwie enia uk³adu. 64
Tlen Zawiesina wodno -wêglowa Tlen Zawiesina wodno -wêglowa Para HP Para /HP 2 2 1 3 1 4 kot³owa 5 u el u el 1 - reaktor zgazowania (wraz z ch³odnic¹ radiacyjn¹) 2 - wymiennik konwekcyjny 3 - skruber 4 - separator wody (demister) 5 - zamkniêcie œluzowe Rys. 1. Technologia zgazowania GE/Texaco uk³ad z wymiennikiem radiacyjnym i ch³odnic¹ konwekcyjn¹ Fig. 1. GE/Texaco gasification technology Radiant-Convective configuration Oprócz rozwi¹zania opisanego powy ej General Electric oferuje komercyjnie jeszcze dwie inne konfiguracje uk³adu zgazowania [4]: reaktor z bezpoœrednim ch³odzeniem wodnym: w uk³adzie tym gor¹cy gaz procesowy przed opuszczeniem reaktora poddawany jest ch³odzeniu do 260 C poprzez bezpoœredni kontakt z wod¹, reaktor z wymiennikiem radiacyjnym: gaz procesowy opuszczaj¹cy strefê zgazowania przechodzi przez ch³odnicê radiacyjn¹ (produkcja wysokociœnieniowej pary nasyconej), gdzie nastêpuje jego sch³odzenie do oko³o 800 C, a nastêpnie przechodzi przez zamkniêcie wodne i obni a swoj¹ temperaturê do oko³o 200 C (konfiguracja okreœlona przez dostawców technologii GE/Bechtel jako referencyjna). Z kolei w przypadku technologii Shell, której schemat zosta³ przedstawiony na rysunku 2, rozdrobniony wêgiel podawany jest pneumatycznie, pod ciœnieniem, azotem lub ditlenkiem wêgla przez uk³ad œluz do palników reaktora (1) umiejscowionych w jego dolnej czêœci. Proces zgazowania przebiega w reaktorze w temperaturach 1400 1700 C. Reaktor (1) posiada ekran wodny, który odbiera ciep³o wytwarzaj¹c przegrzan¹ wodê, która wprowadzana jest do generatora pary (8). Do górnej czêœci reaktora wprowadzany jest gaz procesowy wstêpnie oczyszczony i och³odzony (w celu zestalenia unoszonych cz¹stek stopionego popio³u) w filtrze ceramicznym (3) oraz skruberach (5) i (6). Popió³ z wêgla, w temperaturze procesu, ulega stopieniu i w formie p³ynnego u la sp³ywa po œcianach reaktora do dolnej jego czêœci i wyprowadzany jest na zewn¹trz reaktora poprzez uk³ad œluz (9a). 65
Para HP Para kot³owa 2 4 azot Para /MP Tlen 8 3 5 6 7 Tlen/para u el Para W êgiel azot 1 9a kot³owa 9b Zu el Popió³ 1 - reaktor zgazowania (wraz z ch³odnic¹ radiacyjn¹) 2 - wymiennik konwekcyjny 3 - filtr ceramiczny 4 - wymiennik ciep³a 5, 6 - skruber Venturiego, skruber 7 - separator wody (demister) 8 - generator pary 9 - zamkniêcie œluzowe Rys. 2. Technologia zgazowania Shell Fig. 2. Shell gasification technology Surowy gaz o temperaturze 800 900 C kierowany jest z reaktora zgazowania (1) do 7-sekcyjnego konwekcyjnego wymiennika ciep³a (2), w którym ulega sch³odzeniu, a nastêpnie do filtra ceramicznego (3), gdzie nastêpuje oddzielenie py³ów. Py³y z filtra ceramicznego (3), po przejœciu przez uk³ad œluz (9b), zawracane s¹ do reaktora zgazowania lub te wyprowadzane s¹ na zewn¹trz jako odpad. Ch³odnica gazu (2) zasilana jest par¹ z generatora pary (8). Entalpia gor¹cego surowego gazu procesowego wykorzystywana jest do przegrzania pary i wody kot³owej. Surowy gaz procesowy po dalszym och³odzeniu w wymiennikach ciep³a (4) kierowany jest do skrubera Ventruriego (5) i skrubera (6), zasilanych wod¹ technologiczn¹ z uk³adu ch³odzenia i oczyszczania wody, a nastêpnie do separatora wody (7). Dla zastosowañ w uk³adach wyposa onych w instalacje usuwania CO 2 z gazów procesowych, w literaturze rozpatrywane s¹ równie uk³ady konfiguracyjne, w których stosowane jest bezpoœrednie ch³odzenie wodne (brak wymiennika konwekcyjnego), co pozwala na jednoczesne doprowadzenie do uk³adu wilgoci niezbêdnej dla przebiegu procesu konwersji CO [4]. W pracy przeprowadzono analizê uk³adu produkcji wodoru zintegrowanego ze zgazowaniem wêgla z wykorzystaniem dwóch technologii zgazowania: z doprowadzeniem paliwa w zawiesinie wodnej (na przyk³adzie technologii GE/Texaco, konfiguracja reaktora z wymiennikiem radiacyjnym), z suchym doprowadzeniem paliwa (na przyk³adzie technologii Shell, konfiguracja z bezpoœrednim ch³odzeniem wodnym). 66
Do obliczeñ procesowych przyjêto nastêpuj¹c¹ konfiguracjê uk³adu wytwarzania gazu syntezowego (podstawowe wêz³y technologiczne): uk³ad produkcji tlenu: uk³ad wytwarzania tlenu oparty na technologii separacji kriogenicznej, produkuj¹cy tlen o czystoœci 95%, zgazowanie: reaktor dyspersyjny (doprowadzenie paliwa w stanie suchym oraz doprowadzenie paliwa w zawiesinie wodnej), wzbogacanie gazu w wodór: dwustopniowy proces konwersji CO, uk³ad odsiarczania i separacji CO 2 : dwustopniowy proces absorpcji H 2 SiCO 2 zwykorzystaniem rozpuszczalnika Selexol, uk³ad separacji H 2 (technologia PSA), uk³ad produkcji energii elektrycznej (spalanie gazu resztkowego z uk³adu PSA, produkcja na potrzeby w³asne). Ponadto przyjêto, e proces zgazowania i wytwarzania wodoru realizowany bêdzie w jednym ci¹gu produkcyjnym, a program produkcji ukierunkowany jest na maksymalizacjê wytwarzania wodoru jako g³ównego produktu. Wielkoœæ produkcji netto energii elektrycznej w uk³adzie wp³ywa w bardzo istotny sposób na wskaÿniki emisji CO 2 i ocenê koñcow¹ rozpatrywanych technologii produkcji wodoru. Analiza ró nych rozwi¹zañ technologicznych instalacji zgazowania wêgla wykaza³a bardzo du y wp³yw konfiguracji uk³adu (w czêœci instalacji ch³odzenia gazu surowego) na iloœæ i parametry produkowanej pary i w efekcie na produkcjê energii elektrycznej. W rezultacie poprzez wybór wariantu technologicznego wêz³a zgazowania (w ramach jednej technologii oferowane s¹ ró ne rozwi¹zania techniczne i warianty konfiguracji uk³adu) oraz indywidualny dobór parametrów procesowych i konfiguracji uk³adu wodno-parowego mo na uzyskaæ znacznie ró ni¹ce siê wyniki. Wy szy poziom produkcji energii elektrycznej oferuj¹ rozwi¹zania bardziej zaawansowane technicznie, ale wi¹ e siê to równie z wy szymi kosztami inwestycyjnymi, które nie by³y elementem oceny rozpatrywanych konfiguracji technologicznych produkcji wodoru. W zwi¹zku z powy szym do analizy i oceny rozpatrywanych wariantów technologicznych produkcji wodoru z wêgla przyjêto, w ka dym przypadku jednakowy schemat obliczeñ produkcji energii elektrycznej. Za³o ono, e do obliczeñ przyjmowana bêdzie entalpia chemiczna gazu resztkowego (gaz opuszczaj¹cy instalacjê PSA), a stopieñ konwersji entalpii chemicznej gazu do energii elektrycznej wynosi 40%. Jako surowiec do zgazowania wybrano wêgiel wydobywany w jednej z górnoœl¹skich kopalñ regionu nadwiœlañskiego, ze wzglêdu na przydatnoœæ do procesu, poziom produkcji oraz stosowan¹ technologiê przeróbki mechanicznej. Charakterystykê wêgla przedstawiono w tabeli 1. Obliczenia wykonano w symulatorze procesowym ChemCAD v.6.0.2 dla stanu ustalonego procesów technologicznych przedstawionych na rysunku 3. W tabelach 2 i 3 zestawione zosta³y parametry g³ównych strumieni procesowych. Bilanse masowe i energetyczne procesów w postaci wykresów Sankeya przedstawiono na rysunkach 4 i 5. W tabeli 4 zestawione zosta³y podstawowe wskaÿniki charakteryzuj¹ce dwie analizowane technologie zgazowania wêgla pod k¹tem wytwarzania wodoru. Metoda oszacowania wskaÿników emisji CO 2 zwi¹zanej z pozyskaniem, przeróbk¹ mechaniczn¹, jak te transportem wêgla do zak³adu zgazowania zosta³a opisana w publika- 67
TABELA 1. Charakterystyka wêgla kamiennego TABLE 1. Characteristics of hard coal Nazwa oznaczenia Symbol Jednostka Stan roboczy Stan suchy do reaktora C % 47,8 59,1 56,1 Wodór H % 3,6 4,4 4,2 Azot N % 0,8 1,0 1,0 Siarka ca³kowita St % 1,8 2,3 2,1 Tlen O % 9,4 11,6 11,0 Wilgoæ Wt % 19,1 0,0 5,0 Popió³ A % 17,5 21,7 20,6 Wartoœæ opa³owa Qi kj/kg 18 851 23 879 22 560 Ciep³o spalania Qs kj/kg 20 134 24 875 23 631 cji [5]. W przypadku procesu zgazowania brano pod uwagê wielkoœæ energii elektrycznej, która musi byæ zakupiona z zewn¹trz na pokrycie potrzeb w³asnych instalacji. Taka sytuacja dotyczy³a wszystkich rozpatrywanych przypadków, a do wyliczenia emisji zwi¹zanej z wytworzeniem energii elektrycznej która musi byæ zakupiona do procesu przyjêty zosta³ wskaÿnik emisji ditlenku wêgla dla produkcji energii elektrycznej wynosz¹cy 0,9124 kg CO 2 /kwh dla wêgla kamiennego. Ponadto uwzglêdniono przypadek potencjalnej sekwestracji CO 2 wydzielonego w procesie produkcji wodoru. Na potrzeby sekwestracji konieczne jest sprê anie wydzielonego ditlenku wêgla, a nastêpnie transport i zat³oczenie w wyselekcjonowane miejsce geologicznego sk³adowania. Na podstawie posiadanych informacji, dla potrzeb realizacji pracy, przyjêto nastêpuj¹ce za³o enia: ditlenek wêgla transportowany bêdzie w fazie ciek³ej, ciœnienie na wlocie do uk³adu transportowego (ruroci¹gu) wyniesie 120 bar, co pozwoli na transport CO 2 na odleg³oœæ oko³o 100 150 km i zat³oczenie go w strukturach geologicznych bez koniecznoœci dodatkowego sprê ania. Wartoœci wskaÿników emisji CO 2 w analizowanych procesach zgazowania przedstawiono w formie graficznej na rysunkach 6 i 7, zaœ na rysunku 8 przedstawiono dystrybucjê ca³kowitych wskaÿników emisji ditlenku wêgla w poszczególnych procesach ca³ego cyklu ycia produktu (dla przypadku z sekwestracj¹ CO 2 ). Z analizowanych dwóch wariantów produkcji wodoru na drodze zgazowania wêgla kamiennego typu 31 z zag³êbia górnoœl¹skiego (region nadwiœlañski) korzystniejsze wyniki uzyskano w przypadku stosowania generatora z suchym doprowadzeniem paliwa. Wskazuje na to wiêkszy uzysk wodoru w odniesieniu do jednostki masy wêgla poddawanego zgazowaniu oraz mniejsza emisja ditlenku wêgla w ca³ym cyklu ycia produktu (LCA). 68
a) Konwersja CO WGS II st. 5 Odsiarczanie i separacja CO 2 SelexolIIst. 6 CO2 Para 4 resztkowy 1 Preparacja zawiesiny Quench Skruber 3 Zawiesina Zgazowanie (ch³odnica radiacyjna) GE/Texaco 2 O2 u el 7 Separacja H 2 PSA 9 Uk³ad odzysku siarki Claus 10 8 resztkowy Siarka H 2 Powietrze Separacja pow. Kriogeniczna Para Powietrze Spalanie produkcja energii (potrzeby w³asne) Turbina parowa Energia elektryczna Spaliny resztkowy O2/Claus b) Skruber Para 4 Konwersja CO WGS II st. 5 Odsiarczanie i separacja CO 2 SelexolIIst. 6 CO2 Powietrze 1 Suszenie wêgla Spaliny Powietrze Para 3 Ch³odzenie gazu surowego / Quench Zgazowanie Shell 2 O2 Separacja pow. Kriogeniczna N2 transport u el Para 7 Separacja H 2 PSA 9 resztkowy Spalanie produkcja energii (potrzeby w³asne) resztkowy 8 Turbina parowa Uk³ad odzysku siarki Claus 10 Siarka H 2 Energia elektryczna Spaliny resztkowy O2/Claus Rys. 3. Schemat blokowy instalacji zgazowania i produkcji wodoru a) technologia GE/Texaco, b) technologia Shell Fig. 3. Block diagram of coal gasification integrated with hydrogen production a) GE/Texaco gasification technology, b) Shell gasification technology 69
TABELA 2. Parametry wa niejszych strumieni bilansowych (technologia zgazowania z doprowadzeniem paliwa w zawiesinie wodnej) TABLE 2. Characteristics of main process streams (slurry feed gasification technology) Numer strumienia 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Nazwa wêgiel kamienny surowy tlen zgazowanie gaz surowy gaz WGS gaz SELEXOL CO2 gaz oczyszczony wodór gaz resztkowy siarka Temperatura [ C] 96 595 223 39 39 39 39 39 Ciœnienie [bar] 68 55 55 50 4 40 38 46 Strumieñ [kg/h] 140 000 87 013 240 618 331 376 265 729 220 909 37 435 12 363 25 072 2 487 Sk³ad, udzia³y molowe H2 0,00 0,00 32,79 22,98 55,23 0,00 91,96 100,00 63,16 0,00 N2 0,00 1,80 0,76 0,53 0,82 0,00 1,15 0,00 5,28 0,00 O2 0,00 95,01 0,00 0,00 0,04 0,00 0,07 0,00 0,32 0,00 H2O 0,00 0,00 18,85 43,12 0,21 0,00 0,08 0,00 0,36 0,00 CO 0,00 0,00 29,74 20,84 1,35 0,00 2,24 0,00 10,26 0,00 CO2 0,00 0,00 16,46 11,53 41,05 100,00 3,37 0,00 15,42 0,00 H2S 0,00 0,00 0,62 0,43 0,61 0,00 0,00 0,00 0,01 0,00 COS 0,00 0,00 0,04 0,03 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 SO2 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 CH4 0,00 0,00 0,01 0,01 0,01 0,00 0,02 0,00 0,10 0,00 Ar 0,00 3,19 0,73 0,51 0,67 0,00 1,11 0,00 5,09 0,00 NH3 0,00 0,00 0,00 0,00 0,01 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 70
TABELA 3. Parametry wa niejszych strumieni bilansowych (technologia zgazowania z suchym doprowadzeniem paliwa) TABLE 3. Characteristics of main process streams (dry feed gasification technology) Numer strumienia 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Nazwa wêgiel kamienny surowy tlen zgazowanie gaz surowy gaz WGS gaz SELEXOL CO2 gaz oczyszczony wodór gaz resztkowy siarka Temperatura [ C] 64 268 302 39 39 39 39 39 Ciœnienie [bar] 51 39 38 32 4 30 28 1,5 Strumieñ [kg/h] 140 000 73 479 314 532 374 903 287 405 222 224 53 857 13 430 40 426 2 534 Sk³ad, udzia³y molowe H2 0,00 0,00 18,24 15,14 55,32 0,00 86,90 100,0 49,88 0,00 N2 0,00 1,80 3,93 3,26 4,87 0,00 6,89 0,00 26,37 0,00 O2 0,00 95,01 0,00 0,00 0,01 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 H2O 0,00 0,00 42,93 52,65 0,28 0,00 0,03 0,00 0,12 0,00 CO 0,00 0,00 32,74 27,17 1,55 0,00 2,42 0,00 9,27 0,00 CO2 0,00 0,00 1,15 0,96 36,83 100,00 2,85 0,00 10,89 0,00 H2S 0,00 0,00 0,45 0,37 0,55 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 COS 0,00 0,00 0,04 0,03 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 SO2 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 CH4 0,00 0,00 0,02 0,02 0,03 0,00 0,04 0,00 0,16 0,00 Ar 0,00 3,19 0,48 0,40 0,54 0,00 0,87 0,00 3,32 0,00 NH3 0,00 0,00 0,00 0,00 0,01 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 71
resztkowy; 25 Mg/h, 8,5% Moc elektryczna dopropwadzona 24,4 MWe, 3,1% Moc elektryczna produkcja 34,7 MWe, 4,4% Tlen 88 Mg/h, 29,9% 140 Mg/h 47,6% CO 2 ; 220,9 Mg/h, 75,1%, H 2 12,4 Mg/h 4,2%, 733,1 MW 92,5 % Wodór 410,8 MW 51,9% Straty 66 Mg/ h 22,5% 346,7 MW 43,7 % Siarka 2,5 Mg/h 0,85% u el, œcieki 33,2 Mg/h 11,8% Rys. 4. Bilans masowy i energetyczny uk³adu produkcji wodoru (technologia zgazowania z doprowadzeniem paliwa w zawiesinie wodnej; wêgiel kamienny) Fig. 4. Mass and energy balance of hydrogen production plant (slurry feed gasification technology; hard coal) resztkowy; 40,4 Mg/h, 11,4% Moc elektryczna dopropwadzona 12,1 MWe, 1,5% Moc elektryczna produkcja 38,7 MWe, 4,9% Tlen 74,6 Mg/h, 21,0% 140 Mg/h 39,4% CO 2 ; 222,2 Mg/h, 62,5%, H 2 13,4 Mg/h 3,8%, 733,1 MW 93,6 % Wodór 446,3 MW 56,9% Powietrze, 23 Mg/h, 6,5% Azot, 15,9 Mg/h, 4,5% Straty 102 Mg/h 28,7% Siarka 2,5 Mg/h 0,7% Spaliny/opary 45,7 Mg/h 12,8% u el, œcieki 31,3 Mg/h 8,8% 298,9 MW 38,2 % Rys. 5. Bilans masowy i energetyczny uk³adu produkcji wodoru (technologia zgazowania z suchym doprowadzeniem paliwa; wêgiel kamienny) Fig. 5. Mass and energy balance of hydrogen production plant (dry feed Shell gasification technology; hard coal) TABELA 4. Podstawowe wskaÿniki charakteryzuj¹ce technologie z suchym dozowaniem paliwa i w zawiesinie wodnej w aspekcie wytwarzania wodoru TABLE 4. Hydrogen production rates for dry and slurry feed gasification technology Parametr Dozowanie paliwa w zawiesinie wodnej Suche dozowanie paliwa WskaŸnik uzysku wodoru [Mg H 2 /Mg w.w.] 0,0883 0,0959 WskaŸnik uzysku wodoru [Mg H 2 /Mg w.s.] 0,1092 0,1186 WskaŸnik uzysku wodoru [Mg H 2 /GJ] 0,0047 0,0051 Sprawnoœæ przemiany entalpii chemicznej [%] 56,0 60,9 72
Rys. 6. Porównanie wskaÿników emisji ditlenku wêgla dla dwóch analizowanych technologii zgazowania (wodniesieniudo1mgwêglasuchego kierowanego do zgazowania) Fig. 6. CO 2 intensity in the entire hydrogen production cycle for the examined processes (kg of CO 2 /kg of coal dry) Rys. 7. Porównanie wskaÿników emisji ditlenku wêgla dla dwóch analizowanych technologii zgazowania (w odniesieniu do 1 Mg wyprodukowanego wodoru) Fig. 7. CO 2 intensity in the entire hydrogen production cycle for the examined processes (kg of CO 2 /Mg of H 2 ) 73
Rys. 8. Emisja ditlenku wêgla w poszczególnych etapach pe³nego cyklu wytwarzania wodoru dla analizowanych technologii Fig. 8. CO 2 intensity for main production steps in the entire hydrogen production cycle for the examined processes (kg of CO 2 /Mg of H 2 ; CCS case) Publikacja powsta³a w ramach projektu N N524 2088 33 Literatura [1] MINCHENER A.J., 2005 Coal gasification for advanced power generation. Fuel nr 84, s. 2222 2235. [2] COLLOT A.G., 2006 Matching gasification technologies to coal properties. International Journal of Coal Geology nr 65, s. 191 212. [3] COCA M.T., 2003 Integrated gasification combined cycle technology: IGCC. Its actual application in Spain: ELCOGAS. Puertollano; Elcogas S.A., Club Español de la Energía. [4] Cost and Performance Baseline for Fossil Energy Plants. Final Report: Volume 1: Bituminous Coal and Natural Gas to Electricity; DOE/NETL-2007/1281; May 2007. [5] KARCZ A., BURMISTRZ P., STRUGA A A., 2009 Oszacowanie emisji CO 2 zwi¹zanej z wydobyciem i transportem wêgli potencjalnych surowców dla procesów wytwarzania wodoru. Polityka energetyczna t. 12, z. 1, 93 110. 74
Piotr BURMISTRZ, Tomasz CHMIELNIAK, Aleksander KARCZ, Marek ŒCI KO Comparative analysis of hydrogen production and related CO 2 emission during hard coal gasification in Shell and Texaco technologies Abstract Comparative analysis of hydrogen production from hard coal gasification for two gasification technologies (dry and slurry feed gasifies) was presented. For process calculation commercial ready plant configuration was proposed. Process streams parameters and mass and energy balance for analyzed cases were presented. LCA evaluation related to CO 2 emissions of hydrogen production plants was made. Taking into account hydrogen production level and CO 2 emission better results were obtained for dry feed gasification technology. KEY WORDS: hard coal, gasification, hydrogen production, CO 2 emission