Czyste technologie węglowe – IGCC

Czyste technologie węglowe określa się jako ogół procesów, systemów oraz sposobów efektywnego wykorzystania węgla, mających na celu szczególnie znaczne ograniczenie wpływu produktów jego spalania (m.in. tlenki azotu, tlenki siarki oraz dwutlenki węgla) na środowisko naturalne. Polska posiada bardzo duży potencjał węglowy, a jego udział w wytwarzaniu energii elektrycznej w skali naszego kraju wynosi znacznie ponad osiemdziesiąt procent. W związku z przewidywanymi co raz większymi ograniczeniami emisji gazów cieplarnianych oraz spodziewanymi opłatami związanymi z przekraczaniem tych ograniczeń, warto zauważyć, że ponieważ Polska ma od lat najbardziej zanieczyszczone powietrze w UE, a wiszą nad nami kary wysokości nawet 4 mld zł, uchybienia są ciągłe i Polska nic z tym nie robi, warto zauważyć, że jako kraj bogaty w zasoby węgla, powinniśmy przejść do jak najbardziej aktywnej polityki, dotyczącej wykorzystania czystych technologii węglowych w energetyce. Przez czyste technologie węglowe należy rozumieć zarówno wpływ na proces spalania węgla (np. spalanie w atmosferze wzbogaconej w tlen, siłownie na parametry nadkrytyczne) jak i wpływ na proces oczyszczania produktów spalania węgla (np. odsiarczanie, odpylanie) czy też będący przedmiotem tego artykułu układ IGCC, gdzie osiąga się wpływ na proces zgazowania węgla, przed jego spaleniem.

IGCC (z ang. Integrated Gasification Combined Cycle)  jest to układ gazowo – parowy zintegrowany ze zgazowaniem węgla, bardzo korzystny ze względu na to, że jest to najbardziej ekologiczny układ węglowy, w związku z czym opłacalny w kraju, który posiada duży potencjał tego paliwa. W układzie IGCC osiągamy o prawie połowę niższe zużycie wody, w zestawieniu z konwencjonalnymi siłowniami węglowymi. Warto również zauważyć, że układ ten możemy zaliczyć jako prawie zeroemisyjny, w  przypadku zastosowania w nim technologii wychwytu dwutlenku węgla, które bazują przede wszystkim na absorpcji fizycznej, chociaż obecnie prowadzone są również badania nad membranowymi technologiami separacji CO2. Należy pamiętać, że wychwyt CO2 w układach IGCC odbywa się przed procesem spalania węgla, co z języka angielskiego określa się jako pre-combustion capture. Istnieje wskazanie na wykorzystywanie w układach IGCC technologii membranowych, ze względu na wysokie ciśnienie gazu syntezowego oraz uzyskanie gazu bogatego w cząsteczki H2 po procesie separacji CO2. Ideowo, układ IGCC ukierunkowany na produkcję energii elektrycznej, składa się z następujących procesów:

  • Zgazowania w generatorze paliwa np. węgla w niskokaloryczne i średniokaloryczne paliwo gazowe, którego skład zależy od rodzaju substancji podlegającej zgazowaniu oraz od technologii zgazowywania, czyli głównie od tego jaki czynnik zgazowujący zostanie wykorzystany do procesu (np. tlen, powietrze, para wodna). Wartość opałowa otrzymanego paliwa gazowego mieści się w szerokim zakresie od 4 MJ/m3 do nawet 33 MJ/m3.
  • Otrzymany w procesie zgazowania gaz syntezowy kierowany jest poprzez wymienniki ciepłą do instalacji oczyszczania (głównie oczyszczanie z cząstek stałych, związków siarki  oraz wychwyt CO2).
  • Spalenie oczyszczonego gazu w komorze spalania układu gazowego, a następnie przekierowanie spalin do turbozespołu z turbiną gazową i generacja energii elektrycznej.
  • Wykorzystanie entalpii spalin wylotowych turbiny gazowej  w kotle odzysknicowym, generującym parę na potrzeby układu parowego z turbozespołem z turbiną parową i generacja energii elektrycznej.

Animację pracy układu IGCC warto obejrzeć na stronie:

http://www.duke-energy.com/about-us/how-igcc-works.asp

Warto zauważyć, że sprawność wytwarzania energii elektrycznej osiąga wartość na poziomie 35% – 40% w przypadku instalacji IGCC z wychwytem CO2 oraz nawet do 44% w przypadku instalacji bez wychwytu CO2. Osiągamy najniższą emisję zanieczyszczeń, spośród dostępnych technologii węglowych oraz mamy możliwość zgazowania różnych paliw m.in. węgla kamiennego, węgla brunatnego czy też biomasy. Ważnym aspektem, kluczowym dla procesu zgazowania, jest wykorzystany czynnik zgazowujący. Najczęściej stosowanymi czynnikami zgazowującymi są tlen, powietrze i para wodna. Jeśli chodzi o nakłady inwestycyjne, ze względu na bardzo dużą dostępność, najtańszym jest wykorzystanie powietrza, jako czynnika zgazowującego, jednak wiąże się to z obecnością dużej ilości N2 w powstającym gazie syntezowym, co jest niekorzystne, ze względu na to, że gaz ten jest niereaktywny w dalszym procesie spalania. Najkorzystniejsze jest wykorzystanie tlenu, dające nam w gazie syntezowym znaczne ilości CO i H2, w związku z czym wartość opałowa otrzymanego produktu zgazowania jest wyższa. Warto jednak zauważyć, że zgazowanie z wykorzystaniem tlenu, jako czynnika zgazowującego, wiąże się z budową dodatkowej instalacji separacji tlenu z powietrza ASU (z ang. Air Separation Unit) co z kolei zwiększa nakłady inwestycyjne. Kolejną ważna instalacją technologiczną w układzie IGCC jest generator gazu, mający głównie wpływ na skład oraz postać powstałego gazu syntezowego oraz na stopień konwersji węgla, czyli procentowa ilość węgla, która przereagowała w generatorze gazu. Generatory klasyfikuje się na podstawie przepływu paliwa w strefie reakcyjnej. W skali przemysłowej, zasadniczo stosowane są trzy typy: ze złożem stałym, ze złożem fluidalnym oraz ze złożem strumieniowym. Układ ze złożem stałym charakteryzuje się najprostszą konstrukcją, jednak w wytworzonym gazie znajduję się takie produkty odgazowywania jak smoła czy ciekłe węglowodory, co powoduje konieczność specjalnych metod oczyszczania gazu. Układy ze złożem fluidalnym pozwalają na uzyskanie bardzo wysokiego stopnia kontaktu cząstek czynnika zgazowującego i zgazowywanego, jednak bardzo dużą wadą tego układu są stosunkowo niskie stopnie konwersji węgla. Najbardziej korzystnym jest ostatni z wymienionych, generator gazu ze złożem strumieniowym, ponieważ można w nim wykorzystać każdy węgiel, niezależnie od zawartości popiołu oraz jego zdolności do spiekania. W połączeniu z tlenem i parą wodną jako czynnikami zgazowującymi stopień konwersji węgla osiągany jest na poziomie 99%, a w powstałym gazie syntezowym nie ma ani substancji smolistych, ani fenoli. Jedyną wadą generatora ze złożem strumieniowym, są utrzymywane w nim wysokie temperatury eksploatacyjne, co wiąże się z wykorzystanie kosztownych materiałów konstrukcyjnych oraz wysokotemperaturowych wymienników ciepła, co powoduje wyższe koszty inwestycyjne. W ocenie efektywności procesu zgazowania paliwa, pomijając wcześniej wspomniany stopień konwersji węgla, stosuję się również inne wskaźniki, takie jak np. efektywność energetyczna „na zimno” ηz mówi nam o stosunku strumienia masy paliwa doprowadzonego do zgazowania do strumienia masy gazu, uzyskanego w tym procesie lub stosunku wartości opałowej paliwa do wartości opałowej otrzymanego gazu. W zależności od zastosowanych technologii oraz parametrów prosu zgazowania, efektywność energetyczna „na zimno” mieści się w granicach ηz = 70 – 91%, przy czym największe wartości osiąga się przy zgazowaniu w złożu strumieniowym.

Podsumowując układy IGCC są przyszłością jeśli chodzi o wykorzystanie węgla jako paliwa w energetyce, która ma się stawać coraz czystsza. Układy te w komercyjnych warunkach pracują obecnie w kilku wysoce rozwiniętych krajach takich jak Stany Zjednoczone, Japonia, Hiszpania, Wielka Brytania czy Holandia. Obecnie największym blokiem jest układ Powerfuel w Anglii, o nominalnej mocy docelowej 900MW. Do 2016 roku ma powstać kolejnych dziewięć układów gazowo – parowych ze zintegrowanym zgazowaniem węgla (głównie w USA i w krajach azjatyckich). Warto podkreślić, że tego typu układ powinien być również przyszłością dla Polskiej energetyki, borykającej się głównie z problemami, związanymi z wysoka emisją gazów cieplarnianych. Przy takim potencjale węglowym, układ IGCC połączony z separacją CO2 wydaje się być idealnym rozwiązaniem.

 

 

Bibliografia:

Kotowicz J., Bartela Ł. i inni, Analiza termodynamiczna i ekonomiczna układu gazowo-parowego zintegrowanego ze zgazowaniem węgla oraz membranową separacją ditlenku węgla IGCC, Gliwice 2012;

Dodaj komentarz