ZINTEGROWANY UKŁAD OKSYSPALANIA I ZGAZOWANIA WĘGLA

ZINTEGROWANY UKŁAD OKSYSPALANIA I ZGAZOWANIA WĘGLA Autor: Jarosław Zuwała, Mateusz Babiarz, Marek Ściążko ( Rynek Energii nr 3/2011) Słowa kluczowe: oksyspalanie, zgazowanie, IGCC, CCS Streszczenie. W artykule przedstawiono połączenie układu IGCC ze zgazowaniem węgla kamiennego w złożu CFB z jednoczesnym tlenowym spalaniem powstałego karbonizatu w kotle CFB na parametry nadkrytyczne. Celem pracy jest porównanie parametrów: współczynników emisji oraz sprawności proponowanego układu i technologii węglowych, które mają zostać opracowane i wdrożone w niedalekiej przyszłości. Innowacyjność procesu polega na zawracaniu większości dwutlenku węgla powstałego podczas spalania karbonizatu i wykorzystaniu go jako czynnika zgazowującego i gazu rozcieńczającego tlen przed spalaniem. Energia elektryczna generowana jest w zespołach turbin parowych i gazowych. Spalany gaz syntezowy jest gazem o wysokiej zawartości wodoru powstałym po konwersji CO oraz oczyszczeniu ze związków siarki i większości dwutlenku węgla. Obliczenia symulacyjne zostały przeprowadzone dla dwóch wariantów układu: z zastosowaniem technologii CCS i bez technologii CCS. Obliczenia symulacyjne przeprowadzono za pomocą programu ChemCAD 6.3.1. 1. WSTĘP Podstawowym paliwem dla produkcji energii elektrycznej w Polsce jest węgiel kamienny i brunatny. Obecnie udział węgla jako paliwa do produkcji energii elektrycznej jest dominujący i wynosi ok. 90%. Dla porównania, jego udział w sektorze ciepłowniczym wynosi ok. 78% [7]. W Polityce energetycznej Polski do roku 2030, przyjętej przez Radę Ministrów dnia 10 listopada 2009 r., w celu zagwarantowania odpowiedniego stopnia bezpieczeństwa energetycznego kraju, w dalszym ciągu założono stosowanie węgla jako głównego paliwa dla elektroenergetyki, a także jako podstawowego paliwa dla ciepłownictwa. Dla wdrożenia tzw. zeroemisyjnych technologii węglowych (pojęcie to rozumiane obecnie w kategoriach tzw. emisji bezpośredniej, towarzyszącej procesom termochemicznego przetwarzania energii chemicznej paliwa w nośniki energii bezpośredniej, takie jak elektryczność i ciepło) należy w perspektywie najbliższych lat dążyć do odbudowy mocy zainstalowanej w krajowym systemie energetycznym w taki sposób, aby umożliwić w przyszłości spełnienie wymagań dotyczących obniżenia emisji. Jednym z wariantów technologicznych usuwania z procesów wytwarzania energii jest jego usuwanie przed spalaniem, tzw. pre-combustion [4,5]. Zgodnie z tą metodą, węgiel kamienny w postaci stałej jest najpierw przetwarzany na bogate w wodór paliwo gazowe poprzez zgazowanie w tlenie w warunkach wysokiego ciśnienia. Zasadniczym produktem takiego procesu jest gaz syntezowy zawierający wodór i tlenek węgla. Po konwersji CO do ten ostatni jest usuwany a gaz bogaty w wodór zasila turbinę gazową w układzie kombinowanym IGCC (ang. Integrated Gasification Combined Cycle) do wytwarzania energii elektrycznej. 2. BUDOWA STRUKTURY ZINTEGROWANEJ Zaletami prowadzenia procesów zgazowania paliw w reaktorach fluidalnych są: równomierny rozkład temperatury w złożu oraz wysoka elastyczność paliwowa, umożliwiająca wykorzystanie węgli niskoga-

tunkowych, a także współzgazowanie biomasy i odpadów. Niska temperatura zgazowania prowadzi jednakże do problemów z uzyskaniem wysokiego stopnia konwersji pierwiastka C, czego efektem jest duża ilość nieprzereagowanego karbonizatu w obiegu reaktora. W celu zwiększenia efektywności procesu zgazowania w reaktorze ze złożem fluidalnym zaproponowano m.in. dobudowę dodatkowego układu dopalania karbonizatu w oddzielnej jednostce [2]. W prezentowanej poniżej analizie zaproponowano, aby dopalanie karbonizatu z fluidalnego reaktora zgazowania odbywało się w modyfikowanej atmosferze O 2 /. Proponowana struktura zintegrowana łączyłaby w sobie technologię zgazowania węgla kamiennego ze spalaniem powstałego gazu syntezowego i wytworzeniu energii elektrycznej w układzie gazowo-parowym oraz technologię spalania tlenowego w warunkach podwyższonego ciśnienia. W odróżnieniu od klasycznego układu IGCC karbonizat otrzymany podczas zgazowania węgla spalany byłby w kotle z cyrkulacyjnym złożem fluidalnym. Strumień usuwanego ze spalin z kotła realizującego proces spalania tlenowego dzielony byłby na trzy strumienie: część zawracana byłaby do reaktora zgazowania jako czynnik zgazowujący (obok tlenu), druga część stosowana byłaby do rozcieńczenia tlenu podawanego do kotła fluidalnego, natomiast pozostała część poddana byłaby doczyszczeniu i sprężaniu dla celów transportu i podziemnego składowania. Jedynym źródłem ostatecznej emisji dwutlenku węgla do atmosfery byłyby zatem spaliny pochodzące ze spalania gazu syntezowego, natomiast z procesu spalania tlenowego cały dwutlenek węgla byłby zawracany z powrotem do procesu lub częściowo, po sprężeniu i przetransportowaniu gazociągami, składowany w podziemnych tworach geologicznych [8]. Schemat ideowy układu przedstawiony został na rys. 1. AZOT 86 kg/h POWIETRZE 4150 kg/h OSŁONA BILANSOWA SEKWESTRACJA 2251 kg/h AZOT 88% H 2 KOMORA SPALANIA PRODUKCJA ENERGII ELEKTRYCZNEJ 2,354 MW TG H 2 S + SO 2 8 kg/h INSTALACJA USUWANIA GAZÓW KWAŚNYCH REAKTOR HYDROLIZY COS H 2 + + zw. siarki REAKTORY KONWERSJI CO KOCIOŁ ODZYSKNICOWY DO KOMINA 8882 kg/h W TYM 162 kg/h KONDENSAT 848 kg/h WODA PROCESOWA 1564 kg/h SKRUBER GAZ ODPYLONY PARA WODNA PARA WODNA PRODUKCJA ENERGII ELEKTRYCZNEJ 1,881 MW WYMIENNIK CIEPŁA BATERIA CYKLONÓW TP POWIETRZE 5873 kg/h WĘGIEL 1000 kg/h AZOT TLENOWNIA TLEN MOC ELEKTRYCZNA NA POTRZEBY WŁASNE 2.425 MW GAZ SUROWY REAKTOR ZGAZOWANIA TLEN WODA ZASILAJĄCA UKŁAD REGENERACJI KARBONIZAT + POPIÓŁ KOCIOŁ CFB WODA ZASILAJĄCA ZESPÓŁ WYMIENNIKÓW PARA WODNA SKRAPLACZ WODA ZASILAJĄCA ROZDZIAŁ SPALIN SEKWESTRACJA CO2 376 kg/h POPIÓŁ 96 kg/h KONDENSAT 40 kg/h Rys. 1. Schemat blokowy procesu zgazowania węgla połączonego z tlenowym spalaniem powstałego karbonizatu i sekwestracją

3. METODYKA PRACY Z wykorzystaniem programu ChemCAD 6.3.1 zbudowano strukturę modelu obliczeniowego oraz wykonano obliczenia symulacyjne układu zintegrowanego realizującego proces zgazowania węgla (IGCC) ze spalaniem tlenowym powstałego karbonizatu w kotle fluidalnym. W celu przeprowadzenia symulacji za pomocą programu ChemCAD opracowano schemat całego procesu w formie bloku energetycznego składającego się z następujących układów wymienionych poniżej. A. Układ tlenowni (ASU) oraz podawania obu gazów (O 2 i N 2 ) do procesu, na który składają się: sekcja kompresji z odbiorem ciepła, sekcja destylacji powietrza oraz odbioru tlenu i azotu z doprowadzeniem obu czynników do układów zgazowania i spalania tlenowego. B. Układ zgazowania węgla z odbiorem karbonizatu, oczyszczania i energetycznego wykorzystania gazu, składający się z: ciśnieniowego (3 MPa) reaktora zgazowania węgla z fluidalnym złożem cyrkulacyjnym, baterii cyklonów odpylających gaz surowy z oddzieleniem karbonizatu, wymienników ciepła chłodzących gaz i wytwarzających parę wodną, sekcji oczyszczania gazu reaktorów konwersji CO (Water Gas Shift, WGS), reaktora hydrolizy COS, instalacji usuwania gazów kwaśnych oraz zespół kompresorów do sprężania usuniętego z gazu syntezowego i kierowania go do sekwestracji, sekcji spalania gazu po rozcieńczeniu azotem (z ASU) i odzysku energii, sekcja składa się z: kompresorów doprowadzających azot i powietrze, komory spalania, turbiny gazowej, wymienników ciepła kotła odzysknicowego wytwarzających parę wodną po odbiorze ciepła ze spalin oraz przewodu kominowego odprowadzającego spaliny. C. Układ spalania powstałego karbonizatu, w skład którego wchodzą: kocioł ciśnieniowy (1,6 MPa) z fluidalnym złożem cyrkulacyjnym, bateria cyklonów do odpylania spalin, wymienniki ciepła służące do odzysku energii cieplnej spalin i produkcji pary wodnej sekcja rozdziału spalin, zawracania części do układów zgazowania i spalania oraz sprężania ditlenku węgla w celu jego sekwestracji. D. Układ parowy i układ chłodzenia składający się z: turbin parowych, skraplacza, pomp i chłodni kominowej, zespołu wymienników regeneracyjnych, odgazowywacza i pomp. Model każdego z powyższych układów został opracowany oddzielnie na podstawie poprzednio wykonanych w ICHPW badań symulacyjnych procesów energetycznych [3, 4] z wykorzystaniem danych parametrycznych podanych w pracach [9, 11, 12]. Końcowym etapem pracy było połączenie poszczególnych modułów i sprawdzenie spójności dla całego modelu. Na podstawie powyższych czynności wygenerowano odpowiedni raport zawierający opisy, skład i parametry strumieni

wejściowych i wyjściowych oraz zastosowanych aparatów wraz z bilansami energetycznym i masowym. 4. ZAŁOŻENIA I WYNIKI OBLICZEŃ Surowcem wybranym do przeprowadzenia symulacji był węgiel kamienny typu Wieczorek 1. Tabela 1 Właściwości węgla Wieczorek 1 i karbonizatu wykorzystanego w symulacji Węgiel Karbonizat Parametr % mas. Parametr % mas. C a 70,9 C a 72,2 H a 4,1 H a 1,1 N a 1,1 N a 1,3 O a 7,7 O a 1,5 S a t 0,5 S a t 0,7 W a 6,0 W a 1,1 A a 9,7 A a 22,1 Σ 100,0 Σ 100,0 Przyjęto, że procesy spalania i zgazowania odbywają się w reaktorze i kotle fluidalnym pod ciśnieniem atmosferycznym, natomiast wytworzona para osiąga temperaturę 620 o C i ciśnienie 30 MPa. Właściwości karbonizatu przyjęto na podstawie wyników badań zgazowania węgla prowadzonych w Instytucie Chemicznej Przeróbki Węgla i zamieszczono w tabeli 1 wraz z parametrami paliwa. 5. CEL PRACY Celem pracy było określenie współczynnika emisji odpowiadającej wytworzeniu jednostki energii elektrycznej w układzie zintegrowanym oraz wyznaczenie sprawności energetycznej bloku energetycznego łączącego procesy zgazowania i spalania tlenowego z częściowym wychwytem. Analiza pozwoli na ocenę możliwości integracji technologii spalania tlenowego w warunkach podwyższonego ciśnienia z technologią zgazowania węgla poprzez porównanie otrzymanych wskaźników z analogicznymi parametrami dla alternatywnych technologii wytwarzania energii elektrycznej. Wyniki obliczeń symulacyjnych zostały przedstawione w tabelach 2-5. Parametry tam przedstawione dotyczą wariantu z CCS. Ponadto, dokonano porównania wyników symulacji z danymi dla innych technologii wytwarzania energii elektrycznej.

Skład gazu syntezowego do spalania, % obj. Tabela 2 Skład gazu syntezowego oczyszczonego oraz spalin wilgotnych z procesu spalania gazu syntezowego i tlenowego spalania karbonizatu Skład spalin wilgotnych ze spalania gazu, % obj. Skład spalin wilgotnych z oksyspalania, % obj. Składnik H 2 88,3 0,0 0,0 N 2 0,5 80,9 0,7 O 2 0,0 0,9 6,8 H 2 O 3,7 16,9 8,2 CO 1,1 0,0 0,0 4,4 1,1 81,6 H 2 S 0,0 0,0 0,0 COS 0,0 0,0 0,0 SO 2 0,0 0,0 0,3 CH 4 0,5 0,0 0,0 Ar 1,4 0,3 2,4 NH 3 0,0 0,0 0,0 Sprawność energetyczną oraz wskaźnik emisji wyznaczono na podstawie poniższych zależności: P uż = N N (1) B W Puż η = 100% (2) _ m ( H + Q ) W E fiz m gdzie: P uż - moc użyteczna, MW, i _ = CO2 CO2 P (3) uż N B - moc całkowita wytworzona, MW, N W - moc wykorzystana na potrzeby własne, MW, η - sprawność energetyczna układu, %, W - masowe natężenie przepływu wsadu węglowego, kg/s, H fiz - entalpia fizyczna jednostki masy wsadu, MJ/kg, Q i - wartość opałowa _ wsadu, MJ/kg, m CO2 - ilość ditlenku węgla emitowana do otoczenia (spalanie gazu), kg/h. m _ Tabela 3 Istotne parametry dla struktury zintegrowanej Parametr kg/kg kmol/kmol O 2 /węgiel 0,453 /węgiel 0,891 - CO/H 2 (gaz synt. surowy) 52,919 3,8 karbonizat/węgiel 0,412 O 2 /karbonizat 2,160 - /karbonizat 9,060 λ 1,08

Tabela 4 Bilans mocy elektrycznej oraz parametry pary wodnej świeżej Moc elektryczna N B 4,235 MW N W 2,086 MW P uż 2,149 MW Parametry wytwarzanej pary wodnej Temperatura 620 o C Ciśnienie 30 MPa Tabela 5 Rozdział ditlenku węgla ze spalin powstałych na skutek spalania gazu syntezowego i karbonizatu Rozdział w procesie zgazowanie 725,275 kg/h oksyspalanie 3732,764 kg/h emisja (spal. gazu + 5% z wychwytu) 162,1457 kg/h sekwestracja 2614,131 kg/h recykl 4458,015 kg/h Tabela 6 Zestawienie sprawności energetycznych oraz współczynników emisji CO2 dla różnych technologii produkcji energii elektrycznej (pozycje 1-10 na podstawie [10]) Lp Nazwa technologii 1 IGCC układ gazowo-parowy zintegrowany ze zgazowaniem węgla brunatnego bez CCS. Sprawność netto, % Wskaźnik emisji, kg/ MWh 38,5 798,11 2 3 4 5 6 7 IGCC układ gazowo-parowy zintegrowany ze zgazowaniem węgla brunatnego z CCS. IGCC układ gazowo-parowy zintegrowany ze zgazowaniem węgla kamiennego bez CCS. IGCC układ gazowo-parowy zintegrowany ze zgazowaniem węgla kamiennego z CCS. Blok energetyczny pracujący w technologii nadkrytycznej bez CCS - węgiel kamienny. Blok energetyczny pracujący w technologii nadkrytycznej z CCS - węgiel kamienny. Blok energetyczny pracujący w technologii nadkrytycznej bez CCS - węgiel brunatny. 29,6 107,25 42,0 726,23 32,3 97,90 43,0 900,35 28,0 138,27 41,0 1 007,20

Lp Nazwa technologii 8 9 10 Blok energetyczny pracujący w technologii nadkrytycznej z CCS - węgiel brunatny. Blok energetyczny na parametry nadkrytyczne w technologii spalania tlenowego - węgiel brunatny. Blok energetyczny na parametry nadkrytyczne w technologii spalania tlenowego - węgiel kamienny. Sprawność netto, % Wskaźnik emisji, kg/ MWh 27,0 152,95 28,0 6,95 29,0 6,09 11 12 Struktura zintegrowana technologii IGCC i spalania spalanie tlenowego z CCS. Struktura zintegrowana technologii IGCC i spalania spalanie tlenowego bez CCS. 31,5 75,50 39,0 1 108,70 6. PODSUMOWANIE Otrzymane wyniki pozwalają stwierdzić, że biorąc pod uwagę sprawność energetyczną struktura zintegrowana cechuje się podobieństwem do układu gazowo-parowego IGCC ze zgazowaniem węgla kamiennego uwzględniającym CCS (tabela 6, technologia nr 4). Pod względem wartości wskaźnika emisji proponowany układ zintegrowany byłby korzystniejszy niż układy IGCC ze zgazowaniem zarówno węgla brunatnego jak i kamiennego z CCS jak również w odniesieniu do bloków o parametrach supernadkrytycznych z CCS (tabela 6, odpowiednio technologie nr 2, 4, 6 i 8). Wartość wskaźnika emisji jest mało zadowalająca w porównaniu blokami energetycznymi na parametry nadkrytyczne z tlenowym spalaniem węgla (tabela 6, technologie nr 9 i 10), przy czym układ zaprezentowany w modelu wykazuje sprawność wyższą o ponad 2 3 punkty procentowe. W przypadku rozpatrywania układu bez elementów CCS, model wykazuje parametry najbardziej zbliżone do bloku energetycznego pracującego w technologii supernadkrytycznej bez CCS ze spalaniem węgla brunatnego (tabela 6, technologia nr 7). Model nieznacznie przewyższa sprawnością układ IGCC ze zgazowaniem węgla brunatnego bez CCS (tabela 6, technologia nr 1), ale posiada zdecydowanie wyższy wskaźnik emisji. Innym, nie objętym powyższą analizą aspektem jest konkurencyjność ekonomiczna proponowanej struktury zintegrowanej, która w dużym stopniu zależeć będzie od ceny jednostkowych uprawnień do emisji. Elementem niekorzystnym w przypadku struktury zintegrowanej może być powiązanie w jednym obiekcie energetycznym dwóch technologii cechujących się dyspozycyjnością ok. 85%, z czego technologia spalania tlenowego nie została jeszcze praktycznie zaimplementowana w warunkach przemysłowych, co niesie za sobą potencjalne ryzyko występowania awarii i przestojów wpływających negatywnie na opłacalność ekonomiczną takiego przedsięwzięcia.

LITERATURA [1] Chemstations: Power Plant Carbon Capture with ChemCAD. [2] Chmielniak T., Ściążko M.: Zgazowanie węgla. Rozdział w monografii: Borowiecki T., Kijeński J., Machnikowski J., Ściążko M.: Czysta energia, produkty chemiczne i paliwa z węgla ocena potencjału rozwojowego. Wydawnictwo IChPW, Zabrze 2008, ISBN 978-83-913434. [3] Chmielniak T., Tatarczuk A.: Model termodynamiczny układu zgazowania węgla i produkcji energii elektrycznej z usuwaniem. Zabrze 2009. [4] Chmielniak T.: Rola różnych rodzajów technologii w osiągnięciu celów emisyjnych w perspektywie do 2050. Rynek Energii 2010, nr 6(91) [5] Dreszer K., Ściążko M. : Kierunki rozwoju czystych technologii wytwarzania energii, paliw i produktów chemicznych. Rozdział w monografii: Borowiecki T., Kijeński J., Machnikowski J., Ściążko M.: Czysta energia, produkty chemiczne i paliwa z węgla ocena potencjału rozwojowego. Wydawnictwo IChPW, Zabrze 2008, ISBN 978-83-913434. [6] Dyrektywa 2009/31/WE Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 23 kwietnia 2009 r. w sprawie geologicznego składowania dwutlenku węgla. [7] Kierunki rozwoju czystych technologii węglowych w Polsce. Projekt z dnia 25 sierpnia 2010 wersja nr 0.2, Ministerstwo Gospodarki. [8] Kotowicz J.. Janusz-Szymańska K.: Wpływ systemu separacji na efektywność elektrowni węglowej na parametry nadkrytyczne. Rynek Energii 2011, nr 2(93). [9] Pawlik M., Strzelczyk F: Elektrownie. Wydawnictwo WNT 2009. [10] Raport 2030 - cz.2. Polski Komitet Energii Elektrycznej, Warszawa 2009. [11] Raport National Energy Technology Laboratory: KRW Gasifier IGCC base cases. PED-IGCC-98-005, US Department of Energy 2000. [12] Raport National Energy Technology Laboratory: Shell Gasifier IGCC base cases. PED-IGCC-98-002, US Department of Energy 2000. [13] Zuwała J., Kolarz E., Zapart L.: Opracowanie modeli procesowych i ekonomicznych układów spalania węgla w kotłach pyłowych na parametry nadkrytyczne bez oraz z usuwaniem. Opracowanie modeli procesowych i ekonomicznych układów spalania węgla w tlenie i produkcji energii elektrycznej. Sprawozdanie z realizacji tematu nr 1.37, ICHPW 2008. Praca naukowa współfinansowana przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju, jako Projekt Strategiczny PS/E/2/66420/10 Zaawansowane technologie pozyskiwania energii: Opracowanie technologii spalania tlenowego dla kotłów pyłowych i fluidalnych zintegrowanych z wychwytem.

INTEGRATION OF COAL GASIFICATION AND CHAR COMBUSTION IN O 2 / ATMOSPHERE Key words: oxy-combustion, gasification, IGCC, CCS Summary. The article presents integration of IGCC with hard coal CFB gasification and oxy-combustion of received char in a supercritical boiler. The aim of this paper is to compare emission coefficients and efficiencies of the proposed system with emission coefficients and efficiencies of coal technologies which will be developed and implemented soon. The innovation aspect of the system is the recirculation of major amount of produced and its application as gasification agent and oxygen diluting medium before oxy-combustion. Electricity is generated in systems of steam and gas turbines. The main component of fuel gas is hydrogen, obtained by water gas shift CO conversion, sulfur compounds removal and capture. The simulation was performed for 2 variants of the proposed system: with and without CCS technology. The software used for calculations was ChemCAD 6.3.1. Jarosław Zuwała dr inż.; od 01.08.2009 r. dyrektor Centrum Badań Technologicznych Instytutu. Stopień magistra inżyniera (1998 r.) i doktora nauk technicznych (2004 r.) uzyskał na Wydziale Inżynierii Środowiska i Energetyki Politechniki Śląskiej w Gliwicach specjalność: energetyka cieplna, mechanika i budowa maszyn. Główne zainteresowania naukowe: eksploatacja instalacji spalania i współspalania biomasy oraz optymalizacja pracy systemów energetycznych pod względem energetycznym, ekonomicznym i ekologicznym w pełnym cyklu życia (analiza LCA). Mateusz Babiarz mgr inż.; stopień magistra inżyniera (2009 r.) uzyskał na Wydziale Energetyki i Paliw Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie, specjalność: technologia paliw. Pracuje na stanowisku inżyniera; zainteresowania naukowe: technologie zgazowania i pirolizy paliw stałych, technologie termicznego przetwarzania odpadów, oczyszczanie gazów syntezowych. Marek Ściążko dr hab. inż.; od 1.12.1991 r. Dyrektor Instytutu Chemicznej Przeróbki Węgla, profesor nadzwyczajny Instytutu. Stopień magistra inżyniera (1975 r.) oraz doktora (1983 r.) uzyskał na Wydziale Chemicznym Politechniki Śląskiej w Gliwicach. Stopień naukowy doktora habilitowanego (2011) uzyskał na Wydziale Górnictwa i Geoinżynierii Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie. Jest specjalistą w zakresie inżynierii chemicznej. Odbył dwa staże w USA: w PETC - Pittsburgh (1980) dotyczący hydrodynamiki reaktorów zgazowania węgla oraz w EERC - Grand Forks (1992) związany z efektywnością i ekonomiką systemów generowania energii. Jego naukowe zainteresowania skupiają się na rozwoju wysoko sprawnych i ekologicznie bezpiecznych technologii chemicznego przetwórstwa węgla.