Pilotowa instalacja zgazowania węgla w reaktorze CFB z wykorzystaniem CO 2 jako czynnika zgazowującego A. Sobolewski, A. Czaplicki, T. Chmielniak 1/20
Podstawy procesu zgazowania węgla z wykorzystaniem CO 2 Chemiczne zagospodarowanie CO 2 alternatywa dla składowania geologicznego Substytucja pierwiastków węgla i tlenu w procesie Zwiększenie sprawności i obniżenie emisyjności procesu 2/20
Podstawy procesu zgazowania węgla z wykorzystaniem CO 2 Koncepcja technologiczna Węgiel O 2 CO 2 + + C + O 2 = CO 2 +D r H 1 (1) C +CO 2 = 2CO - D r H 2 (2) Bilans energii: Konwersja jednego 1 kmol C zgodnie z równaniem (1) pozwala na uzyskanie niezbędnej ilości energii dla przemiany 2,3 kmol C według reakcji (2) CO Składnik gazu syntezowego 3/20
CO/C [mol/mol] Podstawy procesu zgazowania węgla z wykorzystaniem CO 2 Wykorzystanie CO 2 w procesie zgazowania Wydajność procesu: Obniżenie zużycia C przy stałej produkcji gazu: 17 30% (zależnie od temperatury procesu). Ilość doprowadzonego CO 2 : 0,2 0,4 kmol CO 2 /kmol C. Najbardziej korzystne warunki realizacji procesu 800 1000 o C temperatury zgazowania w reaktorach fluidalnych 1,40 1,20 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 800 1000 1300 0,00 0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 CO2/C [mol/mol] 4/20
Podstawy procesu zgazowania węgla z wykorzystaniem CO 2 Uwarunkowania kinetyczne C + CO 2 C s O k 1 k -1 k 2 CO + C s O CO Oczekiwany stopień przereagowania 1 Obszar oddziaływań katalitycznych [CO] Osiągany stopień przereagowania 0 Czas 5/20
Podstawy procesu zgazowania węgla z wykorzystaniem CO 2 Wpływ ciśnienia 6/20
Podstawy procesu zgazowania węgla z wykorzystaniem CO 2 Wybór rozwiązania procesowego WĘGIEL Cyrkulacja wewnętrzna Cyrkulacja zewnętrzna GAZ PROCESOWY (CO + H2 + CH4) TLEN CO2 Parametr Reaktor fluidalny Reaktor dyspersyjny Rozmiar ziarna węgla Max zawartość popiołu Temperatura Czas przebywania paliwa Obj. koncentracja paliwa Dostępność reakcyjnego C Możliwość zajścia reakcji Boudouarda pon. 6 mm bez ograniczeń 750 1100 o C 180 600 s 0.15 0.30 m 3 /m 3 karbonizat in situ tak pon. 0.2 mm pon. 20% 1250 1500 o C 3 5 s 0.01 0.03 m 3 /m 3 stopiony żużel nie 7/20
Analityka Modelowanie Struktura badań w Temacie Badawczym 2 Badanie zjawisk Badanie procesu Badanie technologii NOWA TECHNOLOGIA Ciśnieniowe zgazowanie węgla w reaktorze CFB z wykorzystaniem CO 2 8/20
Struktura badań w Temacie Badawczym 2 Badanie zjawisk Laboratorium: Skala mikro Skala laboratoryjna: STA - QMS - GC FTIR 1000 C, 1 g/cykl proces periodyczny Skala laboratoryjna: Tester reakcyjności pod ciśnieniem 950 C, 8 g/cykl, 4 MPa proces periodyczny Skala laboratoryjna: HPTGA-TA-Rubotherm 1100 C, 25 g/cykl, 5 MPa proces periodyczny 9/22
Struktura badań w Temacie Badawczym 2 Badanie procesu Laboratorium: Skala makro odpylacz Chłodnica M Mikser/ zawirowywacz podgrzewacz Powietrze wtórne N2 O2 CO2 Skala wielkolaboratoryjna: Reaktor fluidalny ciśnieniowy: 1,5 MPa, 950 C, 4 kg/h proces ciągły Skala pilotowa: Reaktor ciśnieniowy z CFB: 1,5 MPa, 900 C, 100 kg/h proces ciągły 10/22
Struktura badań w Temacie Badawczym 2 Badanie technologii Skala pilotowa Skala pilotowa: Reaktor atmosferyczny z CFB: 900 C, 200 kg/h proces ciągły Skala pilotowa: Reaktor ciśnieniowy z CFB: 1,5 MPa, 900 C, 100 kg/h proces ciągły 11/20
Pilotowa instalacja zgazowania ciśnieniowego 12/20
Pilotowa instalacja zgazowania ciśnieniowego Przygotowanie paliwa Kruszarka walcowa/młotkowa Przesiewacze Suszenie wstepne Granulacja paliwa <3 mm węgiel surowy Wytwornica pary Przygotowanie paliwa mielenie suszenie Wydajność pary: 80-200 kg/h Ciśnienie pary: 3,1 MPa Temperatura: 239 o C Czynnik grzewczy: gaz ziemny CO 2 CO2 N2 O2 N 2 węgiel para Wytwornica pary woda Układ zgazowania O 2 Zbiorniki gazów technicznych O 2 /N 2 /CO 2 Pojemność zbiornika: 11-20 m 3 Ciśnienie robocze: 2-36 bar, ZGAZOWANIE WĘGLA Ciśnieniowy reaktor CFB Ciśnienie: 15 bar Temperatura: 900-950 o C Wydajność: 100 kg/h Granulacja paliwa: < 3 mm Dozowanie paliwa: N 2, CO 2, syngaz Chłodzenie gazu: płaszcz wodny woda gaz surowy Chłodnia wentylatorowa woda Chłodzenie i oczyszczanie gazu Instalacje bocznikowe Konwersji smół Wysokotemperaturoweg o odsiarczania gazu Układ oczyszczania Skruber wodny z wypełnieniem (900/160 o C) Wymiennik konwekcyjny (160/40 o C) Instalacje bocznikowe Membranowe usuwanie CO 2 Adsorpcyjne usuwanie CO 2 gaz Komora spalania powietrze Turbina gazowa Usuwanie CO 2 Turbina gazowa CO 2 gaz resztkowy Układ usuwania CO2 komin Adsorbcja/desorpcja Metyloaminy Wydajność: 20 Nm 3 /h spaliny Turbina gazowa Wymiennik ciepła Moc elektryczna: 30 kw Moc cieplna 80 kw 13/20
14/20
Cel i program badań w instalacji pilotowej Głównym celem badań jest opracowanie podstaw i weryfikacja w skali pilotowej procesu produkcji gazu syntezowego przy wykorzystaniu CO 2, w reaktorze z cyrkulującym złożem fluidalnym. Cele dodatkowe: opracowanie i weryfikacja w skali wielkolaboratoryjnej procesów oczyszczania i wzbogacania węgla dla potrzeb technologii zgazowania, opracowanie, optymalizacja oraz weryfikacja w skali półtechnicznej nowych metod oczyszczania i wzbogacania gazów procesowych oraz separacji CO 2, opracowanie i optymalizacja procesu dozowania paliwa w zawiesinie wodnej w aspekcie redukcji strat ciśnienia i maksymalizacji udziału fazy stałej. 15/20
Cel i program badań w instalacji pilotowej Cele dodatkowe Oczyszczanie i wzbogacanie gazów procesowych oraz separacja CO 2 Wysokotemperaturowe odsiarczanie gazów z wykorzystaniem adsorbentów monolitycznych Termiczny i katalityczny rozkład substancji smolistych w gazie procesowym Wzbogacanie gazu syntezowego przy użyciu metod membranowych Usuwanie CO 2 na drodze absorpcji, adsorpcji oraz pętli chemicznej 16/20
Cel i program badań w instalacji pilotowej Oczekiwane rezultaty prac badawczych: zweryfikowane w skali pilotowej rozwiązania aparaturowe i procesowe ciśnieniowej technologii zgazowania węgla w reaktorze CFB, wytyczne realizacji procesu zgazowania w reaktorze CFB dla: - wysokoefektywnej produkcji gazu syntezowego z wykorzystaniem CO 2, - wytypowanych krajowych węgli kamiennych i brunatnych, -wariantowych opcji technologicznych wykorzystania gazu syntezowego (energetyka/chemia). Opracowanie oryginalnego know-how nowej opracowanej w Polsce technologii 17/20
4,9 0,0 15,4 10,2 10,8 10,5 9,8 8,9 0,0 28,4 45,6 27,9 26,0 54,8 51,2 33,7 35,5 35,0 77,1 70,5 g/mwh netto 234 232 217 230 246 243 276 295 338,1 361,1 381 414 Emisje z procesu zgazowania węgla 450,0 400,0 350,0 Legenda pył 300,0 SO 2 250,0 NO x 200,0 150,0 100,0 50,0 0,0 18/20
Emisje z procesu zgazowania węgla Emisja SO 2 Jed. mg/nm 3 ; (6% O 2 ) Standard emisyjny do 2016 1 200 NO X 200 Pył 30 Standard emisyjny po 2016 2 100-300 MW: 200 IGCC Elcogas Puertollano > 300 MW: 150 70,2 3 27,5 4 100-300 MW: 200 > 300 MW: 150 135,9 145,4 100-300 MW: 20 > 300 MW: 10 0,4 0,42 1 - Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 22 kwietnia 2011 r. w sprawie standardów emisyjnych z instalacji; Źródła nowe o mocy powyżej 100 MW; 2 - Dyrektywa 2010/75/UE; 3 IGCC Elcogas Puertollano (technologia zgazowania Prenflo), wartości średnie z roku 2006; 4 IGCC Elcogas Puertollano, wartości średnie z roku 2007 19/20
703 731 723 725 715 Emisja CO2; kg CO2/MWh 856 810 804 787 865 845 925 865 845 881 879 1030 PS3 Emisje z procesu zgazowania węgla 1100 1000 Wegiel "subbitumiczny i brunatny" Węgiel "bitumiczny" 900 800 700 600 500 Cost and Performance of Carbon Dioxide Capture from Power Generation International Energy Agency IEA 2011, Matthias Finkenrath 20/20