gasifikacija rad delalic

REALNE MOGUĆNOSTI KORIŠTENJA ALTERNATIVNOG GORIVA NA PODRUČJU TUZLANSKOG KANTONA U CILJU ZAŠTITE ŽIVOTNE SREDINE

____________________________________________________________________________ 1

1. ANALIZA EKOLOŠKIH SISTEMA KAO POSLEDICA INDUSTRIJSKOG RAZVOJA UŽEG PODRUČJA TUZLANSKOG KANTONA 1.1 Uvod Tuzlanski kanton obuhvata sjeveroistočne dijelove Bosne i Hercegovine i zauzima površinu od 2.792 km2, to jest 10,6 % teritorije Federacije Bosne i Hercegovine ili 5,46 % teritorije Bosne i Hercegovine. Ovaj Kanton je teritorijalno zaokružen cjelinom ili dijelovima 14 općina: Banovići, Brčko, Čelić, Doboj-Istok, Gračanica, Gradačac, Kladanj, Kalesija, Lukavac, Sapna, Srebrenik, Teočak, Tuzla i Živinice. Na ovom području živi oko 611.000 stanovnika što je oko 26,00 % stanovništva Federacije Bosne i Hercegovine, iz čega proizilazi da ovaj Kanton ima najveću gustinu naseljenosti u Bosni i Hercegovini i ona iznosi 203 stanovnika po km2, što je dvostruko više od prosjeka u Bosni i Hercegovini. Zahvaljujući značajnim rezervama kvalitetnog uglja (mrkog i lignita), kamene soli, tehničko-građevinskog kamena, kvarcnog pijeska, magnezita, krečnjaka i drveta, u području Kantona razvili su se značajni rudarsko-energetski i industrijsko-prerađivački kompleksi, od kojih sa aspekta uticaja na okolinu treba izdvojiti:

• rudnike lignita i mrkog uglja, • termo-energetska postrojenja, • hemijsko-industrijske komplekse, • drvno-industrijske komplekse, • proizvodnju građevinskih materijala i nemetala, • industriju tekstila, obuće, gume i dr.

Od kraja 50-tih do početka sedamdesetih godina prošlog vijeka na užem području Tuzlanskog kantona (opštine Tuzla, Živinice, Lukavac i Banovići) gdje živi približno 350.000 stanovnika u krugu prečnika 30 km, izgrađeno je dosta industrijskih objekata sa tehnologijama koje nisu uopšte ozbiljno tretirale njihov uticaj na okolinu.

Sl.br.1 Jezero Modrac


____________________________________________________________________________ 2

Početkom 60-tih godina prošlog vijeka izgrađeno je tada najveće vještačko jezero u jugoistočnoj Evropi, "Modrac", udaljeno oko 8 km od Tuzle, administrativnog centra Tuzlanskog kantona. Jezero je potrebno za snabdijevanje industrijskom vodom velikih fabrika u izgradnji (termoelektrana Tuzla, 2 x 32 MW, KHK Lukavac) te znatno povećanje kapaciteta Fabrike sode Lukavac. Početkom sedamdesetih godina prošlog vijeka dolazi do znatnog povećanja kapaciteta TE "Tuzla" na oko 800 MW, izgradnje fabrike cementa u Lukavcu te izgradnje hemijskog kompleksa u Tuzli. Sva navedena postrojenja u svom tehnološkom postupku koriste ogromne količine industrijske vode sa jezera "Modrac".

Sl.br.2 Dispozicija glavnih zagađivača zraka, vode i tla na užem području Tuzlanskog kantona

Osim industrijske vode, ugalj (mrki ugalj i lignit) je najznačajnija komponenta koja se koristi u svim gore navedenim industrijskim postrojenjima. Rad ovih postrojenja će u narednih trideset godina imati znatan uticaj na okolinu tj. dovesti do njenih nepovratnih promjena i zagađenja vode, vazduha i tla. Izgradnja postrojenja za separaciju mrkog uglja u Banovićima dovela je do smanjenja aktivne zapremine jezera "Modrac" za oko 30 % (Sl.br.1). 1.2 Osnovne karakteristike baznih industrijskih postrojenja na užem području TK sa stanovišta zagađenja okoline TE "TUZLA" (instalisana snaga 800 MW)

• Emisija znatne količine SO2, CO2, CO, NOx i prašine u vazduh • Deponija šljake koja je produkt sagorijevanja mrkog uglja i lignita nalazi se na oko

3 km od TE "Tuzla" , vrlo blizu gradskog središta grada Tuzle.


____________________________________________________________________________ 3

• Transport šljake se vrši hidrauličnim putem pa se voda za transportovanje šljeke vraća u korito rijeke Jale obogaćena sa CaCO3.

• Rashladni sistem TE "Tuzla" je otvorene koncepcije pa u jesenje i zimske dane, kada je atmosferski pritisak dosta nizak kondenzovane kapljice vode padaju na ceste koje vode ka središtu grada Tuzle i u znatnoj mjeri otežavaju odvijanje saobraćaja, sl.br.3

Sl.br.3 TE Tuzla 1.2.1 Rudnici uglja Kreka-Banovići-Đurđevik U području Tuzlanskog kantona većina industrijskih i rudarskih objekata, u sklopu svojih procesa rada, posredno ili neposredno su uticala na degradiranje zemljišta. Degradirane su značajne površine poljoprivrednog, šumskog i drugog zemljišta, što je u velikoj mjeri uzrokovalo narušavanje ekološkog sistema i njegovih vrijednosti, koje se nikada nisu iskazivale u mjerljivim veličinama, vjerovatno iz razloga što je zagađenje zemljišta vrlo ozbiljan problem, jer su posljedice dugotrajnije a otklanjanje duže u odnosu na zagađen zrak i vodu. Kod površinske eksploatacije uglja u navedenim rudnicima nije uopšte izvršena rekultivacija zemljišta nakon eksploatacije a ukoliko je i izvršena na manjim površinama, to je učinjeno na neadekvatan način (Sl.br.3). Rijeka Oskova je izložena intenzivnom zagađivanju od strane postrojenja separacije koja primjenjuju primitivnu tehnologiju (Sl.br.5). U industrijskim rudarskim područjima Kantona zagađenje i degradiranje zemljišta nastalo je kao posljedica:

• odbacivanja raznih industrijskih otpadaka, • odlaganja šljake i pepela iz sagorijevanja uglja u termoelektrani, • površinske i jamske eksploatacije uglja, • podzemne eksploatacije soli, • površinske eksploatacije kvarcnog pijeska, • odlaganja komunalnih otpadaka i • zagađivanja vodotoka i zraka.


____________________________________________________________________________ 4

Sl.br.4 Devastacija zemljišta na površinskom kopu rudnika Banovići

Sl.br.5. Rijeka Oskova nakon separacije uglja u rudniku Banovići


____________________________________________________________________________ 5

1.2.2 Fabrika sode Lukavac, KHK Lukavac

Sl.br.6 Fabrika sode Lukavac

• Emisija znatne količine SO2, CO2, CO, NOx i prašine u vazduh. • Deponija šljake, hidraulični transport, voda zagađena sa CaCO3. • Emisija znatne količine ugljikovodika NH3, CHx u vazduh. • Izbacivanje NaHCO3 u čvrstom obliku

1.2.3 Fabrika cementa Lukavac

Sl.br.7 Fabrika cementa Lukavac

• Emisija znatne količine SO2, CO2, CO, NOx i prašine u vazduh. • Emisija cementne prašine


____________________________________________________________________________ 6

1.2.4 Hemijske fabrike u industrijskoj zoni Tuzle • Emisija značajnih količina SO2, CO2, CO, NOx i prašine u vazduh, • Emisija značajnih količina NH3, CHx u vazduh, • Izbacivanje NaHCO3 u čvrstoj formi

Sl.br.8 Kemijske fabrike u industrijskoj zoni Tuzle 1.2.5 Ostali zagađivači okoline Veliki uticaj na zagađivanje zraka, pored gore navedenih industrijskih objekata imaju:

• Saobraćaj koji je u užem gradskom jezgru veoma intenzivan tokom čitavog dana, • Male kotlovnice za grijanje malih stambenih jedinica u zimskom periodu.

Sl.br.9 Intenzivan saobraćaj u gradskom jezgru Tuzle


____________________________________________________________________________ 7

1.3 Meteorološke prilike na području opštine Tuzla 1.3.1 Mjerenje meteoroloških parametara Na prostoru opštine Tuzla izgrađeno je pet stabilnih mjernih stanica koje su pod kontrolom vlade Tuzlanskog kantona. U toku 2005 god. vršila su se godišnja mjerenja:

• Temperature zraka • Brzine vjetra • Pravca vjetra • Pritisak • Sunčevo zračenje • Količina padavina

Sl.br.10 Savremena mjerna stanica „Skver“ Najinteresantniji podatak od ovih mjerenja je brzina vjetra. Godišnji prosjek brzine vjetra kretao se u rasponu od 0.5 m/s u centru grada do 1.5 m/s na periferiji. Najveća prosječna vrijednost brzine vjetra izmjerena je u mjesecu decembru, na periferiji grada i iznosi 4.6 m/s a najmanja izmjerene vrijednost je u mjesecu septembru i iznosi 0.15 m/s. Pravci vjetrova zavise od lokaliteta. Na većini lokaliteta preovlađuju vjetrovi iz pravca sjevera i zapada a povremeno iz pravca zapada i juga (sl.br.11).


____________________________________________________________________________ 8

Sl.br.11Grafički prikaz pravca vjetrova na lokalitetu Skver - MS1 i BKC - MS2 u periodu januar – decembar 2005 god.

Sl.br.12 Grafički prikaz prosječnih dnevnih vrijednosti SO2 za mjesec maj 2005, TUZLA 1.3.2 Uzroci zagađenja Kao osnovni uzroci zagađivanja ističu se:

• Zakonska regulativa • Ekološka kultura • Prljave tehnologije • Saobraćaj • Domaćinstva


____________________________________________________________________________ 9

1.3.3 Mjere i postupci za rješavanja ekoloških problema

• Strategija za smanjenje zagađivanja i zaštitu okoline • Održivi razvoj (ekološki i ekonomski) • Zavisnost ekonomskih i ekoloških faktora u duhu socijalne politike kao i humanih

odnosa Iz naprijed navedenog, kada je u pitanju kvalitet okolice, može se zaključiti da je područje Tuzlanskog kantona po svim pokazateljima i standardima kojima se definira kvalitet okolice u proteklom razdoblju bilo, a i sada je, jedno od najugroženijih područja u Bosni i Hercegovini. Takvom stanju, nema sumnje, u mnogome je doprinijela nedovoljna i neodgovarajuća organizaciona i zakonska struktura i regulativa u oblasti zaštite okolice, a posebno nezainteresovanost društva za primjenu evropskih standarda u organizaciji vođenja poslova zaštite okolice i primjene zakonskih propisa. Mora se hitno napraviti zajednička strategija za područje Tuzlanskog kantona, kako zaštititi okolinu i ljude i koja će obuhvatiti sve gore navedene uticaje i početi rješavati što sistematičnije sve te probleme.


____________________________________________________________________________ 10

2. GASIFIKACIJA NASUPROT SAGORIJEVANJU 2.1 Poređenje osnovnih principa Gasifikacija nije proces spaljivanja ili sagorijevanja. To je u stvari proces pretvorbe kojim se dobijaju vredniji i korisniji produkti iz fosilnih goriva. U Tabeli 1 date su osnovne karakteristike tehnologija gasifikacije i sagorijevanja. Tab.br. 1 Poređenje procesa gasifikacije i sagorijevanja

Karakteristika Gasifikacija

Sagorijevanje

Svrha Dobijanje vrijednih, korisnih produkata iz otpadnog materijala ili materijala niže vrijednosti

Dobijanje toplotne energije ili uništenje otpadnih materijala

Vrsta procesa Toplotna i hemijska pretvorba bez prisustva ili uz malu količinu kisika

Potpuno sagorijevanje uz korištenje viška kisika (zraka)

Sastav sirovog gasa (prije čišćenja)

H2, CO; H2S, NH3 i čestice CO2, H2O, SO2, NOx i čestice

Čišćenje gasa Čišćenje sintetičkog gasa na atmosferskom ili višem pritisku u zavisnosti od vrste gasifikacije

Čišćenje dimnih plinova sagorijevanja na atmosferskom pritisku

Tretirani sintetički gas koristi se za proizvodnju goriva, energije ili hemijskih produkata

Tretirani dimni plinovi se ispuštaju u atmosferu

Izdvajaju se tragovi sumpora u gorivu u vidu sumpora ili sumporne kiseline

Bilo koji tragovi sumpora u gorivu se pretvaraju u SO2 koji se mora ukloniti korištenjem sistema čišćenja dimnih plinova, generišući otpad koji se mora pohraniti na deponije

Čisti sintetički gas se uglavnom sastoji od H2 i CO

Čisti dimni plinovi se uglavnom sastoje od CO2i H2O

Čvrsti nus-produkti

Čađ ili pepeo Šljaka

Rukovanje čađom, pepelom i šljakom

Nisko-temperaturni procesi kao rezultat daju čađ koji se može prodavati kao gorivo

U većini slučajeva leteći pepeo i pepeo na dnu kotla se skuplja, tretira i odlaže kao opasni otpad

Visoko-temperaturni procesi proizvode šljaku i bezopasne materijale koji se mogu upotrebljavati u građevinarstvu


____________________________________________________________________________ 11

U procesu gasifikacije kao i u procesu sagorijevanja vrši se pretvorba fosilnih goriva u gasove. Procesi gasifikacije se dešavaju u odsustvu kisika ili u prisustvu ograničene količine kisika, dok se proces sagorijevanja odvija uz prisustvo viška kisika. Ciljevi procesa sagorijevanja su da se vrši toplotno razlaganje osnovnog materijala, i da se pri tome oslobodi toplota. Nasuprot tome cilj gasifikacije je pretvaranje osnovnog materijala u više vrijedan, okolinski prihvatljiv međuprodukt koji se može koristiti u razne svrhe, uključujući proizvodnju energije, goriva i hemijskih proizvoda. Elementi koji se obično nalaze u ugljičnim materijalima kao što su C, H, N, O, S i Cl se pretvaraju u sintetički gas koji se sastoji od CO, H2, H2O, CO2, NH3, N2, CH4, H2S, HCl, COS, HCN, koks kao i tragova težih ugljovodoničnih gasova. Produkti procesa sagorijavanja su pak CO2, H2O, SO2, NO, NO2 i HCl. 2.2 Okolinske kontrole U zavisnosti od sastava osnovnog materijala, produkti sagorijevanja se obrađuju u nizu procesnih jedinica kako bi se odstranile čestice, teški metali i anorganski kiseli gasovi. Ti dijelovi postrojenja mogu uključivati hlađenje, iza kojih slijede Venturi prečistači, mokri elektrostatički odstranjivači ili jonizirajući mokri prečistači. Neka postrojenja mogu uključivati i visinske apsorbere za odstranjivanje kiselog gasa ili platnene filtere za odstranjivanje čestica. Demisteri se obično koriste za uklanjanje vidljive pare prije nego se dimni plinovi ispuste u atmosferu kroz dimnjak. Kada je sadržaj sumpora u gorivu visok i kada se moraju ispuniti vrlo striktni zahtjevi u vezi sa sadržajem SO2, različiti procesi desulfurizacije dimnih plinova mogu biti upotrijebljeni. Dodavanje katalizatora ne samo da uvećeva ulaganja u sistem sagorijevanja i povećava operativne troškove nego se time povećava i količina čvrstog otpada koji se mora odlagati ako se ne može na tržištu pronaći krajnji korisnik ovog nusproizvoda. Slijedeći proces gasifikacije, sirovi sintetski gas je direktno ohlađen pomoću vode ili hladnog recirkulisanog gasa. Čestice se takođe mogu ukloniti korištenjem vrućih filtera. Indirektno hlađenje putem izmjenjivača toplote može slijediti nakon hlađenja sintetskog gasa prije nego su čestice odstranjene. Sintetski gas se zatim dalje obrađuje kako bi se odstranila jedinjenja sumpora kao što su H2S, COS i NH3. Konvencionalne tehnologije za ovakve postupke, sa efikasnošću odstranjivanja sumpora od 99% koriste se u postrojenjima za preradu nafte i prirodnog gasa. Iste konvencionalne tehnologije se mogu koristiti za dobijanje sumpora kao visoko čiste tečnosti u vidu nusproizvoda iz sirovog gasa. Kada se koristi direktno vodno hlađenje neke čestice su zadržane u vodi i moraju se filterisanjem odstraniti. Voda na izlazu iz mokrog skrubera kao i kondenzat sintetskog gasa sadrže neke gasove rastvorive u vodi kao što su NH3, HCN, HCl i H2S. Ovi tokovi se obično recikliraju i šalju prema gasifikatoru i skruberu nakon odstranjivanja čvrstih čestica. Jedna mala količina vode iz sistema se prečišćava kako bi se spriječila akumulacija rastvorenih soli. Prečišćena voda se zatim tretira u konvencionalnim sistemima za preradu otpadne vode. 2.3 Čvrsti nusprodukti Kruti nusprodukti procesa sagorijevanja i gasifikacije se značajno razlikuju. Primarni nusprodukt nisko-temperaturnog procesa gasifikacije je čađ. Čađ se sastoji od ugljika koji nije učestvovao u reakcijama kao i od mineralnih tvari prisutnih u materiji koja se gasifikuje. Najvažnija i najznačajnija upotreba je u obliku izvora aktivnog ugljika.


____________________________________________________________________________ 12

Čađ iz različitih izvora, uključujući ugalj se koristi za proizvodnju aktivnog ugljika. Dva najznačajnija primjera upotrebe aktivnog ugljika su tretman voda i otpadnih voda kao i dekolorizacija. Drugi slučajevi upotrebe aktivnog ugljika uključuju zadržavanje polutanata kao što su isparivi organski spojevi, kao i ostataka pesticida iz industrijskih otpadnih voda. Ostalo područje upotrebe čađi uključuje industriju željeza, čelika i silikona. Čađ se može koristiti i kao sredstvo za redukciju u direktnoj redukciji željeza. Fero-silikoni i silikoni metalurške građe se proizvode ugljiko-termalno u električnim ložištima. Silicij se miješa sa koksom i željezom ili komadićima čelika (u slučaju fero silikona), kao i piljevinom kako bi se stvorilo punjenje. Punjenje se zatim tretira u ložištu kako bi se dobio željeni produkt. Čađ se može koristiti kao zamjena za koks kao izvor redukovanog ugljika u ovakvim procesima. Neka postrojenja u Norveškoj su poznata po tome da su koristili čađ iz uglja umjesto koksa pri proizvodnji metalnih proizvoda na bazi silicija već sredinom 90-tih godina 20.vijeka. Međutim upotreba čađi u ovoj industriji nije raširena zbog nedostatka količine čađi. Čvrsti produkt visoko temperaturne gasifikacije je šljaka, materijal koji podsjeća na staklo. Uglavnom se sastoji od anorganskih tvari iz materije koja se gasifikuje, a koji nisu isparili. Zbog visoke temperature u procesu gasifikacije, iznad temperature spajanja ili topljenja mineralnih tvari, dolazi do njihovog topljenja i uklanjanja u vidu rastopljene šljake, koja formira staklastu supstancu nakon brzog hlađenja ili rashlađivanja. Šljaka obično nije opasna i može se koristiti kao jedna od komponenti građevinskog materijala za izgradnju putova, ili kao abrazivni materijal za pjeskarenje. Također se može odlagati i kao materijal koji nije štetan. U zavisnosti od njenog sastava, ova šljaka se može upotrijebiti i za izdvajanje vrijednih metala. Osnovni čvrsti nusprodukt procesa sagorijevanja je šljaka koja se uglavnom sastoji od mineralnih tvari kao i neznatnih količina ugljika koji nije stupio u reakciju. Zbog lužinastih osobina šljake u procesu sagorijevanja, ona se smatra štetnim produktom. Izuzetak je jedino šljaka koja nastaje sagorijevanjem biomase. 2.4 Prednosti gasifikacije u odnosu na sagorijevanje Sa stanovišta okoliša, gasifikacija nudi nekoliko prednosti u odnosu na proces sagorijevanja čvrstih tvari, teških ulja i karboniziranog industrijskog i domaćeg otpada. Prvo, emisija sumpornih i azotnih oksida, koji su sastavni dio kiselih kiša je značajno smanjena kao i količina čvrstih čestica a zbog čišćenja sintetskog gasa. Sumpor se iz materija koja se gasificira izdvaja u obliku H2S, dok se azot pretvara u dvoatomski azot N2 i NH3. Oba jedinjenja, H2S i NH3 se uklanjaju u daljem toku procesa, pri čemu se dobija čist sintetski gas. Prema tome, ako rezultujući sintetski gas sagorijeva u gasnoj turbini kako bi se proizvela električna energija ili u parnom kotlu kako bi se proizvela para ili vrela voda, u svakom slučaju rezultujuća količina sumpornih i azotnih oksida se značajno smanjuje. Ako se čisti sintetski gas koristi kao međuprodukt za proizvodnju hemijskih komponenti, onda ne dolazi do formiranja sastavnih elementa kisele kiše. Partikulanti u sirovom sintetskom gasu su takođe značajno smanjeni zbog višestrukih sistema čišćenja gasa koji se koriste kako bi se udovoljilo zahtjevima proizvođača turbina. Uklanjanje čestica se odvija u primarnim ciklonima, skruberima ili suhim filterima a zatim u sistemima za hlađenje gasa i uklanjanje kiselina iz gasa. Jedna studija Američkog odsjeka za energiju pokazuje da poboljšanje konvencionalnih sistema za sagorijevanje uglja sa sistemima za gasifikaciju može reducirati sumporne i azotne okside kao i emisiju čestica za jedan ili dva reda veličine.


____________________________________________________________________________ 13

Druga značajna prednost je da jedinjenja furan i dioksin ne nastaju za vrijeme procesa gasifikacije. Sagorijevanje organskih tvari je glavni izvor ovih visoko toksičnih i kancerogenih polutanata. Razlog zašto furani i dioksini ne nastaju u procesu gasifikacije su:

• Nedostatak kisika u reduciranom okruženju gasifikatora koji sprečava formiranje slobodnog hlora iz HCl-a i ograničava pojavu bilo kakvih spojeva hlora u gasifikatoru,

• Visoka temperatura procesa gasifikacije efektivno uništava prisustvo spojeva furana i dioksina u materiji koja se gasifikuje.

Štaviše, ako sirovi gas sagorijeva u gasnoj turbini gdje je prisutan višak kisika, visoka temperatura sagorijevanja ne ide u prilog formiranju slobodnog hlora. Dodatno, formiranje dioksina i furana nakon procesa sagorijevanja nije očekivano zbog veoma malih čestica koje se zahtijevaju pri formiranju ovih spojeva nakon sagorijevanja i koji su prisutni u dimnim plinovima. Dioksin i furan se odnose na molekule i jedinjenja koja se sastoje od ugljika i kisika. Ova jedinjenja kada reaguju sa halogenima kao što su hlor ili brom, poprimaju toksične osobine. Većina istraživanja na halogenim dioksinima i furanima su se bavila hlorisanim vrstama. Opšteprihvaćena činjenica je da su dioksin i furan nusprodukti procesa sagorijevanja uključujući spaljivanje industrijskog i domaćeg otpada kao i druge procese spaljivanja. U procesima sagorijevanja, sastojci ugljovodonika reaguju sa hlornim komponentama ili molekulama pri čemu dolazi do formiranja furana i dioksina. Oni mogu nastati i nakon procesa sagorijevanja, u sistemu hlađenja dimnih plinova zbog prisustva sastavnih komponenti, slobodnog hlora ili nesagorjelog ugljika i elemenata bakra u česticama letećeg pepela. Ograničeni podaci su dostupni po pitanjima sadržaja isparljivih organskih jedinjenja, polu-isparljivih organskih jedinjenja kao i policikličnih aromatskih ugljovodonika koji nastaju u procesu gasifikacije. Podaci koji su dostupni ukazuju na to da se prisustvo spomenutih jedinjenja ili ne može otkriti u toku dimnih plinova koji su rezultat procesa gasifikacije, ili u nekim slučajevima kada je moguće otkriti prisustvo tih jedinjenja, njihova koncentracija je izrazito mala (djelići milijarde i manje). Analiza sintetskih gasova takođe ukazuje na sastav sa više od 99.99% klorobenzena i heksahlorbenzena koji su uništeni ili je njihova koncentracija manja ili jednaka gore spomenutim jedinjenjima. 2.5 Stehiometrijski odnosi Kako se materija kreće kroz reaktor za gasifikaciju, sljedeći fizikalni, hemijski i toplotni procesi se mogu pojaviti pojedinačno ili istovremeno, u zavisnosti od dizajna reaktora kao i materije koja se gasifikuje. Sušenje Kako se materija u gasifikatoru zagrijava i njena temperatura raste, voda je prva materija koja se izdvaja Vlažna materija + toplota suha materija + H2O


____________________________________________________________________________ 14

Devolatizacija Kako temperatura suhe materije raste, dolazi do pojave pirolize i pri tome se materija pretvara u čađ suha materija + toplota čađ + volatili U zavisnosti od sastava i porijekla materije koja se gasifikuje, volatili se mogu sastojati od sljedećih jedinjenja H2O, H2, N2, O2, CO2, CO, CH4, H2S, NH3, C2H6 kao i vrlo mali sadržaj nezasićenih ugljovodonika kao što su acetileni, olefini i bitumen. Čađ predstavlja čvrsti ostatak koji se sastoji od organskih i neorganskih materijala. Nakon pirolize, čađ sadrži veći postotkom ugljika nego suha materija koja dolazi u proces gasifikacije. Gasifikacija Gasifikacija je rezultat hemijskih reakcija između ugljika u čađi i pare, ugljendioksida i vodonika u posudi gasifikatora kao i hemijskih reakcija između rezultujućih gasova. Reakcije gasifikacije mogu biti prikazane na sljedeći način C + H2O + toplota CO + H2 C + 2 H2O + toplota CO2 + 2 H2 C + CO2 + toplota 2CO C + 2H2 CH4 + toplota CO + 3H2 + toplota CH4 + H2O CO + H2O + toplota H2 + CO2 U zavisnosti od uslova procesa gasifikacije, preostali čađ može ali i ne mora sadržavati znatnu količinu organskog sadržaja ili toplotne vrijednosti. Sagorijevanje Toplotna energija koja je potrebna za odvijanje procesa gasifikacije mora se direktno obezbijediti, sagorijevanjem određene količine čađi ili suhe materije koja se gasifikuje ili u nekim slučajevima sagorijevanjem volatila u gasifikatoru, ili pak indirektno sagorijevanjem suhe materije, čađi ili čistog sintetskog gasa zasebo i prenošenejm zatim te toplote u gasifikator. Dole navedene hemijske i toplotne reakcije mogu nastupiti kada se sagorijeva suha materija ili čađ


____________________________________________________________________________ 15

C + O2 CO2 + toplota C + ½ O2 CO + toplota H2 + ½ O2 H2O + toplota Čađ + toplota šljaka Šljaka klinker + toplota Sagorijevanje čađi ili materije dovodi do proizvodnje pepela, organskog materijala koji nije reagovao, što se može istopiti u tečnu šljaku. Šljaka zatim može biti resolidificirana da bi se dobio klinker. Osim toplote, produkti sagorijevanja su i CO2 i H2O pri spaljivanju čistog sintetskog gasa, kako bi se obezbijedila zahtijevana toplotna energija. Nije posebno teško napisati određeni broj hemijskih jednačina kako bi se prikazale fizikalne, toplotne i hemijske reakcije koje se dešavaju u posudi gasifikatora. U teoriji, procesi gasifikacije mogu biti tako projektovani tako da se oslobođena toplota ( iz egzotermne reakcije) izbalansira sa toplotom koja je potrebna za odvijanje endotermne reakcije. Ali u praksi, za mnoge od gore navedenih fizikalnih, toplotnih i hemijskih reakcija koje se odvijaju istovremeno, može biti vrlo teško napraviti precizna predviđanja kvantiteta i kvaliteta ili sastava gasnih produkata. Termodinamske karakteristike i karakteristike ravnoteže sistema gasifikacije, ako su dostupne mogu pomoći u određivanju uslova pod kojima se određeni željeni produkti mogu maksimizirati. Međutim, mjerenja termodinamskih osobina osnovnog materijala kao što su ugalj, čađ i koks su veoma složena zbog kompleksnosti i heterogene prirode ovih materijala. Prema tome, karakteristike ravnotežnog stanja sistema gasifikacije se u opštem slučaju procjenjuju korištenjem termodinamskih podataka (entalpije i entropije) za formiranje čistih reaktanata i produkata i pojednostavljenih sistema. Termodinamski podaci za čiste reaktante i produkte gasifikacionih sistema mogu se pronaći u nizu tabela i korelacija. Podaci o ravnotežnom stanju ukazuju na:

• Nastajanje CH4 se smanjuje sa povećanjem temperature a povećava se sa povećanjem pritiska.

• Nastajanje CO i H2 se povećava sa povećanjem temperature i smanjenjem pritiska, maksimalni sadržaj CO i H2 se može postići pri atmosferskom pritisku i temperaturnom području od 800-1000oC.

• Koncentracija CO2 se povećava sa povećanjem pritiska i smanjuje značajno sa povećanjem temperature.

• Smanjen odnos kisik/para u gasovima reaktantima (ili ulaznim tokovima u reaktor) povećava nastajanje količine H2 i CH4, dok povećanje navedenog odnosa dovodi do povećanja nastajanja CO i CO2.


____________________________________________________________________________ 16

Prema tome, temperatura i pritisak u gasifikatoru se mogu kontrolisati kako bi se maksimizirala koncentracija željenih produkata, CH4, ili H2 i CO. Međutim, kako bi se odredili optimalni radni uslovi i neki drugi faktori kao što su kinetika gasifikacije i katalitički efekat pri kojima se reakcije javljaju takođe se moraju razmotriti. 3. PROIZVODNJA ALTERNATIVNIH MOTORNIH GORIVA IZ UGLJA Prerada prirodnih sirovina: ugalj, slana voda, prirodni bitumen, biomasa i dr. i danas postavlja zahtjev za novim tehnologijama kako bi se u budućnosti mogle zadovoljiti rastuće potrebe za motornim gorivima i hemijskim sirovinama. To ne znači da prije nije bilo takvih tehnologija. Primjer je gasifikacija uglja koja se počela izučavati prije više od 200 godina a sama industrijska prerada uglja počela se primjenjivati sredinom tridesetih godina prošlog vijeka, kada se iz generatorskog gasa počelo dobijati tečno motorno gorivo. Te tehnologije su se počele kasnije brzo razvijati u zavisnosti od energetskih kriza koje su se pojavljivale. Na tehnologiju i ekonomske pokazatelje u proizvodnji motornih goriva iz uglja najveći uticaj imala su fizičko-hemijska svojstva ulazne sirovine. Bile su poznate tehnologije dobijanja motornih goriva iz sirove nafte a kod prerade uglja javljalo se puno problema, od načina sušenja,mljevenja, odvajanja frakcija, odvajanja ugljovodonika, utilizacija ulja i td. Različite vrste uglja razlikovale su se u frakcijama u odnosu na naftu sa dosta niskim sadržajem vodonika (povećan odnos ugljenik : vodonik, C:H) te visokim sadržajem kiseonika, azota i sumpora. To je uslovljavalo i nižu temperaturu sagorijevanja jer pri prevođenju gasovitog goriva u tečno moraju se prvenstveno odstraniti svi mineralni sastojci. Tabela br.1 Osnovne karakteristike sirovina i motornih goriva

Elementarni sastav % mase Produkti i sirovine

Gustoća kg/m3

Toplota sagorijevanja

MJ/kg C H N S O maseni

odnos C : H

Automobilski benzin

710 - 760 43 - 45 86 – 85.5

14 - 14.4 0-0.030 0.01 - 5.9-6.1

Dizel gorivo

830 – 860 42.5 – 42.7 87 – 85.8

12.8 - 14 0.01-0.03

0.2-1.0 - 6.2-6.8

Lako lož ulje

800 – 933 4.2 84 – 87 12.5 – 14 0.1-1.2 0.1-4.5 0.1-2.0 6.7-7.0

Teško lož ulje

935 – 1000 40 – 41.5 87 10 – 12 0.1-1.2 0.1-4.5 0.1-2.0 6.7-7.0

Mazut > 350 oC

935 – 950 41.0 83 – 87 10 – 12 0.3-1.2 3.0-8.0 0.5-2.0 7.0-8.3

Kameni ugalj

1150 – 1500 16 – 29 76 – 94 4.0 – 6.0 1.5-1.8 0.5-7.0 2.0-17.5 11-23.5

Drvo

500 - 1000 16 - 24 48 - 53 5.5 – 7.5 0.01-0.3 0.0-0.4 38-44 7.0-8.7

Mnogobrojni tehnološki procesi u kojim se vrši prerada alternativnih sirovina u motorna goriva mogu se razlikovati prema dva osnovna principa. U prvoj varijanti dolazi do razgradnje izlaznih molekula sa izdvajanjem vodonika i odvođenjem čvrstog ugljenika. Pri tome dolayi do sniženja odnosa C : H. Kod sinteze postoji hemijska preobrazba organske mase ulazne sirovine u tečno gorivo. Pretvaranje tvrde ulazne sirovine u tečno gorivo odvija se u četiri faze:


____________________________________________________________________________ 17

• Dovoz goriva • Priprema i preobrazba goriva • Dobijanje sintetičke nafte koja predstavlja široki spektar frakcija tečnih ugljovodonika • Prerada sintetičke nafte u čvrste produkte

Proces preobrazbe prirodnog gasa u tečno gorivo odvija se u fazi sinteze uključujući pripreme gasa za taj proces. Tečna goriva dobijena iz uglja se sastoje od po strukturi i sastavu različitih prostih i složenih organskih i neorganskih supstanci. Ta svojstva se mijenjaju u širokom dijapazonu što ukazuje na njihov veliki uticaj pri dobijanju sintetičkih goriva. Svi procesi preobrazbe uglja u tečno gorivo koji se koriste u današnje vrijeme mogu se podijeliti u tri osnovne grupe:

• Piroliza (polukoksovanje) gdje se dobijaju tečne frakcije ugljovodonika iz čvrstih karbonizovanih ostataka.

• Direktna hidrogenizacija • Gasifikacija uglja sa poslednjom operacijom prevođenja u tečno gorivo

Prve dije grupe procesa se odnose na metod razlaganja a poslednja na metod sinteze. Pirolizom se ugalj razlaže zagrijavanjem u odsustvu vazduha i drugih oksigena pri čemu se dobijaju vodonik, isparljivi produkti i tvrdi ostatak ugljika – koks. To je najstarija metoda za dobijanje tečnih i gasovitih produkata iz uglja. U današnje vrijeme pirolizom se dobija koks i smole iz kojih se pak dobijaju motorna goriva. U zavisnosti od konačne temperature zagrijavanja uglja razlikuju se

• Nisko-temperaturno koksovanje (600 – 900 oC) • Visoko-temperaturno koksovanje (temperatura viša od 900 oC)

Pri industrijskom procesu koksovanja uglja obično se vrši postepeno zagrijavanje pri čemu je cjeloviti proizvod koks a izlazni tečni produkti ne čine više od 5 – 8 % masenog udjela. Kod pirolize uglja po pravilu, dobijaju se četiri osnovna proizvoda:

1. koks 2. smola sastavljena od tečnih ugljovodonika, 3. gas 4. voda pomiješana sa smolom

Izlazni produkti pirolize prvenstveno su određeni sastavom ulaznog uglja prije svega odnosom vodonika i ugljenika H : C. Sa velikom tačnošću može se izračunati izlazna količina smole u zavisnosti od količine vodonika i ugljenika za svako gorivo iz kojeg se kasnijim razlaganjem dobijaju tečna motorna goriva. Tipični izlazni produkti kod pirolize uglja (lignita) prikazani su u tabeli br.2. Tab.br.2 Izlazni produkti kod pirolize uglja

Smola l/t Gasm3/t

Voda % (po masi)

Ugalj Koks % (po masi)

laka teška lignit 37 5 68 66 44


____________________________________________________________________________ 18

Smola iz uglja se obrazuje na temperaturama nižim od 700 oC. Hidrogenizacija predstavlja najbolju, univerzalnu metodu oplemenjavanja uglja. Ona se zasniva na uticaju vodonika na određena jedinjenja pod uticajem pritiska. Za ugalj koji se koristi za dobijanje tečnih goriva hidrogenizacija može biti ocijenjena na osnovu elementarnog sastava. Prinos tečnih produkata hidrogenizacije u odnosu na datu masu uglja smanjuje se sa porastom odnosa ugljenik : vodonik (C:H) u sastavu uglja i dostiže minimalnu vrijednost od 72 % pri odnosu C : H = 16. To se uglavnom odnosi na kamene ugljeve koji imaju u svom sastavu veliki procent ugljenika. Ugljevi sa manjim procentom ugljenika mogu se oplemeniti ali zbog velikog sadržaja kiseonika (do 30 %) potrebna je veća količina vodonika. Poznato je da je osim vodonika potreban i azot ga i on uklanja iz goriva. Osim navedenog, na stepen oplemenjavanja uglja utiču i mineralne primjese, mikroelementi kao i temperatura i pritisak. Termičko rastvaranje uglja predstavlja neku formu hemijskog rastvaranja. Pri korištenju vodonika za rastvaranje uglja, poslije uklanjanja tvrdih tvari ostaje tipični ostatak ekstrakta uglja oslobođen od mineralnih i drugih primjesa u kojima se nalazi azot kao bitan element koji je potrebno odstraniti. Pri proizvodnji motornih goriva iz uglja sa znatno manjim sadržajem C putem indirektnih metoda, prvo šta se mora uraditi je gasifikacija. Gasifikacija je termički proces pri kome se određena količina goriva uz prisustvo oksigena (vazduh, tehnološki kisik ili vodena para) prevodi u gorući gas. To znači da se pri gasifikaciji kod prvog stadija zagrijavanja javljaju produkti pirolize. Kod gasifikacije, po pravilu, cjelokupna organska materija uglja se prevodi u gas i smolu a mineralna masa sa odgovarajućim primjesama se odstrani u šljaku koja može biti u tečnom stanju. Znači, kod gasifikacije uglja vrlo je bitno za određenu vrstu uglja znati temperature na kojima se izdvajaju određene komponente. Na taj način se određuje temperatura osnovnog procesa i vrši izbor načina odvođenja šljake. Osnovni parametri koji određuju proces gasifikacije uglja su:

• način dovođenja goriva u reakcionu zonu, • način dobijanja gasovitog agensa, • tip gasifikacijskog agensa, • temperatura i pritisak procesa.

Svi gore navedeni elementi su u nekoj složenoj međusobnoj zavisnasti i na taj način odražavaju konstruktivne osobine gasogeneratora. Kod gasogeneratora koji koriste niskokalorični ugalj temperaturni interval može dostići do 2000 oC ali ta temperatura može biti i niža tj. do 850 oC. Kod različitih primjera gasogeneratora, radni pritisak može dostići i do 10 MPa. Povećanje pritiska uslovljava i povećanje temperature, energetskog stepena iskorištenja procesa, te koncentracije metana u izlaznoj gasnoj smjesi. U sastavu izlaznog gasa osim oksida ugljika i vodonika prisutni su i amonijak, fenoli, smole i tečni ugljikovodonici. Za dostizanje maksimalnog stepena iskorištenja gasogeneratora oni rade na povećanom pritisku, sa malim gubitkom kiseonika i vodene pare kao i toplote. U današnje vrijeme u svijetu je razvijeno oko 50 različitih tipova gasogeneratora. Novije konstrukcije koriste ugalj niske kalorične moći. Ugalj u gasogeneratoru prolazi kroz tri faze zagrijavanja. U prvoj fazi gornji dio gasogeneratora pri temperaturi od 350 oC se u principu suši ugalj. U srednjoj zoni reaktora (druga faza) pri temperaturi od 600 oC ugalj se podvrgava polukoksovanju i dolazi do obrazovanja gasa, smola i polukoksa. U trećoj zoni, u osnovi


____________________________________________________________________________ 19

reaktora, pri temperaturi od 870 oC kao rezultat reakcije gasnih para, pirolizom se obrazuje gas koji praktično ne sadrži metan. Gas prolazi odozdo prema gore u reaktoru tako da dolazi do hlađenja i sniženja temperature. Tada dolazi do nastanka metana. Nastale gasove i smole je potrebno očistiti za što je potrebna velika količina rashladne tečnosti. Ovdje je potrebno napomenuti da se azot i sumpor odvode u šljaci, dakle u čvrstom stanju i kontrolisano što znači da ne idu u vazduh tj. izbjegnuto je zagađivanje atmosfere ovim supstancama. Novije generacije gasogeneratora sa prosječnom toplotnom vrijednošću uglja mogu proizvoditi 1 tonu tečnih produkata od 5.6 – 6.4 tona uglja. Tečni produkti se zatim prerađuju u motorna goriva. Termički stepen iskorištenja prerade uglja u motorna goriva iznosi oko 35 – 40 %. Da bi se iz motornog goriva dobile frakcije benzin i dizel potrebni su sistemi dvostruke konstrukcije reaktora. Svi procesi gasifikacije sa poslednjom sintezom motornih goriva imaju visoke investicione i eksploatacione troškove. Ti su se troškovi usljed intenzivnog razvoja nauke i tehnologije u poslednjih nekoliko decenija znatno smanjili. U principu, veliki broj zemalja nema instalirane takve kapacitete u industrijskoj primjeni pa je tečko doći do odgovarajućih brojčanih pokazatelja i podataka.

Sl.br.13 Šema procesa hidrogenizacije uglja


____________________________________________________________________________ 20

Legenda: 1. priprema uglja I – ugalj 2. zagrijač II – vodonik, H2 3. reaktor III – recirkulacija (destilacija) 4. kondenzator IV – pasta 5. odvod H2 V – nivo hidrogenizanta 6. brzinski separator VI - nivo katalizatora 7. atmosferska kolona VII - regenerator 8. hidrociklus VIII – paro-gasna faza 9. separator IX – kondenzovana faza 10. vakum kolona X – katalizatori XI – tečnost XII – smola XIII – gasna faza XIV – laki destilati XV – traženi destilati XVI – tečni ostatak XVII – traženi destilat XVIII - gorivo U TK vrši se iskop lignita i mrkog uglja a cjelokupna proizvodnja lignita se u principu spaljuje na našem kantonu, prije svega u ložištima velikih energetskih parnih kotlova a manji dio i u domaćinstvima. Sadašnja godišnja proizvodnja lignita na našem kantonu iznosi oko 1.800.000 tona. Mrki ugalj se eksploatiše u Banovićima i Đurđeviku čija godišnja proizvodnja dostiže nivo oko 1.300.000 tona u Banovićima odnosno oko 400.000 tona u Đurđeviku. Karakteristike uglja koji se vadi na našem kantonu prikazane su u narednim tabelama. 3.1 Karakteristike uglja 3.1.1 Rudnik mrkog uglja Banovići Tabela: tehnička i elementarna analiza

Vrsta analize

Jedinica Sa vlagom Bez vlage

Ukupna vlaga % 24.41 - Pepeo % 15.45 20.43 Isparljive materije % 29.04 38.42 Sagorljive materije % 60.14 79.56 Koks % 46.55 61.58 Cfix. % 31.11 41.15 Ukupni ugljenik % 43.26 57.23 Vodonik % 2.95 3.91 Azot % 1.21 1.6 Kiseonik % 11.49 15.20 Sumpor % 2.02 2.67 Donja toplotna moć KJ/kg 16168 22130


____________________________________________________________________________ 21

Tabela: Topivost pepela

Vrsta analize

Jedinica Rezultat

Početak sinterovanja oC 960 Tačka omekšavanja oC 1120 Tačka polutopljenja oC 1210 Tačka razlijevanja oC 1320

Tabela: Hemijski sastav pepela

Vrsta analize

Jedinica Rezultat

SiO2 % 39.20 F2O3 % 10.50 Al2O3 % 20.72 CaO % 11.20 MgO % 2.00 SO3 % 12.82 TiO3 % 0.80 Na2O % 0.09 K2O % 0.81

3.1.2 Rudnik uglja PK Dubrave Tabela: tehnička i elementarna analiza

Vrsta analize

Jedinica Sa vlagom Bez vlage

Ukupna vlaga % 30.84 - Pepeo % 28.29 41.63 Isparljive materije % 24.78 35.83 Sagorljive materije % 40.38 58.37 Koks % 44.39 64.17 Cfix. % 15.6 22.50 Ukupni ugljenik % 25.72 37.19 Vodonik % 2.87 4.16 Azot % 0.42 0.61 Kiseonik % 11.07 16.01 Sumpor % 0.71 1.03 Donja toplotna moć KJ/kg 8708 13616


____________________________________________________________________________ 22

Tabela: Topivost pepela

Vrsta analize

Jedinica Rezultat

Početak sinterovanja oC 1090 Tačka omekšavanja oC 1120 Tačka polutopljenja oC 1300 Tačka razlijevanja oC 1380

Tabela: Hemijski sastav pepela

Vrsta analize

Jedinica Rezultat

SiO2 % 51.26 F2O3 % 11.55 Al2O3 % 22.72 CaO % 5.48 MgO % 3.08 SO3 % 3.69 TiO3 % 0.90 Na2O % 0.30 K2O % 1.03


____________________________________________________________________________ 23

4. ZAKLJUČAK

• Energetska efikasnost termo blokova za proizvodnju električne i toplotne energije iz

uglja vrlo je niska i kreće se u granicama od 25-30%. Zbog toga ta energija nije

konkurentna na svjetskom tržištu. Osim toga, korištenje uglja za dobijanje gore

navedenih vrsta energija ima i svoje ogromne nedostatke za očuvanje čiste okoline.

Poznato je da su posljedice po zrak, vodu i tlo nesagledive.

• Oplemljenjivanje uglja (nadzemno) ima za posledicu dobijanje dosta hemijskih

komponenti koje su neophodne za procesnu industriju kao i čistog ekološkog motornog

goriva

• Nadzemno oplemljenjivanje uglja ima za posledicu smanjenje emisije u atmosferu za

oko 50%. Osim toga, izlazni nusprodukti šljaka i voda su potpuno očišćeni od sumpora,

azota i teških metala. Ekološka dobit je ogromna jer neće doći do zagađenja tla i vode.

• Ekološki čista šljaka tada se može koristiti za izradu velikog broja građevinskih

elemenata

• Na ovim prostorima dugi niz godina se vrši eksploatacija uglja. Postojanje tehničkih

fakulteta nije doprinijelo nekim značajnim istraživanja u toj vrlo bitnoj oblasti iako su

rudnici ulagali velika sredstva. Poznato je da su takva istraživana dosta skupa ali da

nema bilo kakvih istraživanja u toj oblasti neće se moći opravdati. Ne radeći ništa u

vezi ove materije, mi ćemo u budućnosti biti kolonijalno zavisni, a šta će biti sa

okolinom koja nam život znači to je veća nepoznanica.

• Dobijanje električne energije je moguće u gasnim postrojenjima

LITERATURA

1. Chris Higman, Gasification, Elsevier 2003.

2. John Rezaiyan, Gasification Technologies, Taylor and Fransis 2005.

3. Sunggyu Lee, Handbook of Alternative Fuel Technologies, CRC Press, 2007.

4. G.A. Terentev, Motorna goriva iz alternativnih sirovinskih resursa, Hemija, Moskva 1989.

gasifikacija rad delalic

Documents