Możliwości ograniczenia emisji CO 2 z zastosowaniem spalania
advertisement
MOŻLIWOŚCI OGRANICZENIA EMISJI CO2 Z ZASTOSOWANIEM SPALANIA TLENOWEGO Marta Kowalik, Marian Kieloch, Edyta Krawczyk Politechnika Częstochowska, Wydział Inżynierii Procesowej, Materiałowej i Fizyki Stosowanej Katedra Pieców Przemysłowych i Ochrony Środowiska Pomimo znaczących postępów w dziedzinie ochrony środowiska poziom zanieczyszczenia atmosfery w Polsce jest nadal wysoki. Przyczynia się do tego przede wszystkim spalanie paliw kopalnych, które jest obecnie dominującym sposobem pozyskiwania energii. W wyniku procesu spalania emitowana jest do atmosfery bardzo duża ilość zanieczyszczeń, które silnie oddziaływują na środowisko naturalne. Zanieczyszczenia te stały się głównymi przyczynami globalnych zagrożeń środowiska. SPALANIE PALIW KOPALNYCH A EMISJA CO2 CZYSTE TECHNOLOGIE WĘGLOWE Polska należy do stosunkowo nielicznej grupy krajów, gdzie węgiel kamienny oraz brunatny stanowią podstawowe źródło wytwarzania energii. Struktura zużycia paliw w Polsce przedstawia się następująco: ZUŻYCIE PALIW W POLSCE 9% 3% TECHNOLOGIE PRZETWARZANIA WĘGLA W ENERGIĘ LUB PALIWA PŁYNNE PRODUKCJA WĘGLI EKOLOGICZNYCH DLA ODBIORCÓW INDYWIDUALNYCH węgiel kamienny 2% TECHNOLOGIE PRODUKCJI WĘGLA W ZAKŁADACH GÓRNICZYCH SPALANIE W WARSTWIE FLUIDALNEJ ODPYLANIE SPALANIE W WARUNKACH NADKRYTYCZNYCH REDUKCJA EMISJI NOx UPŁYNNIANIE ODSIARCZANIE SPALANIE W TLENIE REDUKCJA EMISJI CO2 węgiel brunatny 14% WZBOGACANIE WĘGLA DLA ENERGETYKI ropa naftowa TECHNOLOGIE REDUKCJI EMISJI gaz ziemny odnawialne źródła energii 62% Popularność energii, opartej na spalaniu węgla, wynika z faktu zasobności naszego kraju w to paliwo oraz braku znaczących ilości innych nośników energii pierwotnej. W związku z tym, energetyczne spalanie węgla ma w Polsce największy udział w wytwarzaniu zanieczyszczeń takich jak: dwutlenek węgla, dwutlenek siarki, tlenki azotu oraz popioły lotne. EMISJA CO WRAZ Z LIMITAMI W całkowitej masie emisji zanieczyszczeń powstałych w wyniku spalania węgla kamiennego największy udział stanowi dwutlenek węgla (98%). Około 46% całkowitej emisji CO2 w Polsce pochodzi z sektora energetycznego. Spalanie 1 tony węgla kamiennego powoduje emisję dwutlenku węgla w wysokości 2,61 tony. Emisja CO2 [Mt] 2 530 480 430 380 330 280 230 180 CO2 limity CO2 ZGAZOWANIE SPALANIE TLENOWE Obecnie, biorąc pod uwagę aspekty chemiczne i techniczne, spalanie tlenowe (oxyspalanie) wydaje się być najbardziej obiecującą technologią redukcji emisji dwutlenku węgla. Spalanie tlenowe węgla polega na podawaniu do komory paleniskowej zamiast powietrza mieszaniny czystego tlenu, a także spalin z recyrkulacji. W wyniku spalania generowany jest gaz składający się z CO2 i H2O, co ułatwia jego wychwytywanie, i dalsze zagospodarowanie. Recyrkulacja zapewnia odpowiednią temperaturę płomienia i poprawę wymiany ciepła w kotle. Schemat blokowy spalania tlenowego z recyrkulacją spalin POWIETRZE 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 TLENOWNIA Rok KOCIOŁ JEDNOSTKOWA EMISJA CO2 I H2O KONDENSATOR OCZYSZCZANIE SPALIN TURBINA PAROWA CO2 GENERATOR 20 16 8 4 CO2 0 węgiel kamienny węgiel brunatny olej opałowy H2O gaz ziemny drewno WYMAGANIA PRAWNE DOTYCZĄCE EMISJI CO2 W ie lk a Br yt an Sz ia we c Ho ja la nd ia Ni em cy Cz ec PO hy LS KA Fr an cj a W ęg ry Li tw a Ło tw Es a to ni a [t/mieszkańca] Wobec priorytetów ekologicznych Unii Europejskiej, ustalonych podczas „szczytu energetycznego” w marcu 2007, należy zredukować emisję dwutlenku węgla do atmosfery do roku 2020 o 20%. W związku z tym, iż emisja WIELKOŚĆ EMISJI CO2 szkodliwych związków do atmosfery silnie oddziaływuje 16 14,1 14 2005-2007 2008-2012 na środowisko naturalne, 12 9,5 Komisja Europejska wydaje 9,5 10 8,5 stosowny dokument, który 8 6,2 5,5 5,4 5,2 6,1 5,5 6 3,7 4 ustala ich limity. 3,1 2,7 3,6 2,6 2,5 4 2,2 2 1,4 2,5 2,5 Zaakceptowaną przez 2 Brukselę wielkość emisji CO2 0 przedstawia się następująco: MOŻLIWOŚCI OGRANICZENIA EMISJI CO2 Negatywne skutki ekologiczne wywołane emisją CO2 stanowią zagrożenie zarówno dla naszej planety jak i dla samego człowieka. Kluczem do rozwiązania tych problemów jest ograniczenie emisji tego związku. Wywiązanie się z założeń dotyczących ograniczenia emisji CO2 to ogromne wyzwanie dla Polski, dlatego też jesteśmy zmuszeni do poszukiwania nowych sposobów pozyskiwania energii, bądź udoskonalenia istniejących. zamianę paliw kopalnych na energię odnawialną wprowadzenie czystych technologii węglowych z sekwestracją CO2 SPOSOBY REDUKCJI EMISJI CO2 usuwanie dwutlenku węgla ze spalin wzrost sprawności przetwarzania energii WPŁYW STOPNIA WZBOGACENIA POWIETRZA NA ZAWARTOŚĆ CO2 W SPALINACH W wyniku spalania w powietrzu wzbogaconym w tlen i spalania tlenowego uzyskuje się wysokie stężenie dwutlenku węgla, które sprzyja działaniom dążącym do osiągnięcia „zerowej emisji CO2” w drodze sekwestracji tego zanieczyszczenia. 60 Zaw. CO2 [%] 12 40 20 0 10% 20% 30% 40% WPŁYW STOPNIA WZBOGACENIA POWIETRZA NA ZAWARTOŚĆ AZOTU SPALINACH 60% 70% 80% 90% 100% Oxyspalanie, w odróżnieniu od spalania w powietrzu, pozwala znacznie ograniczyć także emisję NOx. Redukcja emisji tych zanieczyszczeń jest spowodowana recyrkulacją CO2 w pierwotnej strefie spalania. 60 40 20 0 10% 50% Zaw. O2 [%] 80 Zaw. N2 [%] Zaw. gazu w spal. [%] RECYRKULACJA SPALIN O2 WĘGIEL Biorąc pod uwagę obliczenia spalania poszczególnych paliw można stwierdzić, że największa jednostkowa emisja CO2 pochodzi ze spalania węgla kamiennego H2O N2 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% Zaw. O2 [%] ZALETY SPALANIA TLENOWEGO • wzrost sprawności kotła w wyniku obniżenia strat niecałkowitego i niezupełnego spalania w wyniku podwyższonego stężenia tlenu w obrębie komory paleniskowej, • zmniejszenie gabarytów kotła wykorzystującego wzrost temperatury spalania, • wyższą sprawność termodynamiczną kotła poprzez ograniczenie straty kominowej w wyniku zredukowania strumienia gazu doprowadzonego do komory paleniskowej, • szeroki zakres spalania paliw, • obniżenie kosztów inwestycyjno- eksploatacyjnych dla instalacji oczyszczania gazów. Podstawową wadą oxyspalania jest wysoki koszt uzyskania tlenu. Znane dotąd metody jego wytwarzania są mało wydajne, a co za tym idzie cena jednostkowa czystego tlenu jest wysoka WADY Podstawową wadą oxyspalania jest wysoki koszt uzyskania tlenu. Znane dotąd metody jego wytwarzania są mało wydajne, a co za tym idzie cena jednostkowa czystego tlenu jest wysoka. WNIOSKI Energetyczne spalanie węgla ma w Polsce największy udział w wytwarzaniu zanieczyszczeń, wśród których pierwsze miejsce zajmuje dwutlenek węgla. W świetle uwarunkowań prawnych zapobieganie emisji CO2 stanowi podstawową zasadę ochrony środowiska w Polsce. Spalanie tlenowe znacznie ogranicza emisję CO2 i NOx. CZYSTE TECHNOLOGIE WĘGLOWE SPOSOBEM NA REDUKCJĘ CO2 Największych wyzwaniem dla polskiej energetyki stają się technologie czystego węgla. Dają one szansę na ograniczenie negatywnego oddziaływania użytkowania węgla na środowisko oraz poprawę bezpieczeństwa energetycznego kraju. Pomimo tego, że spalanie tlenowe jest wciąż na etapie prób, badań eksperymentalnych i numerycznych daje ogromną nadzieję na zastosowanie tego procesu na dużą skalę w przyszłości. Aby spalanie tlenowe stało się konkurencyjne koszty wytwarzania czystego tlenu muszą być niższe. Kluczowym elementem, niezbędnym dla rozwoju technologii CCS w Polsce jest jej akceptacja.
