Kombinovani ciklus sa integrisanom gasifikacijom (IGCC)

Temelj ove tehnologije sastoji se u gasifikaciji uglja u loţištu parnog kotla elektrane te korištenje dobivenog gasa u kombinovanom gasno-parnom toplotnom ciklusu. Ova tehnologija ima izvjesne sličnosti sa tehnologijom izgaranja uglja u fluidiziranom sloju pod pritiskom, (PFBC – Pressurized Fluidized Bed Combustion), slika 1.

Slika 1. Kombinovani ciklus izgaranja uglja u fluidiziranom sloju pod pritiskom

Termoelektrane sa integriranom gasifikacijom uglja i kombinovanim gasno-parnim ciklusom (IGCC – Integral Gasification Combined Cycle) za pretvorbu toplotne u električnu energiju su danas dostigle stepen razvoja koji dozvoljava da ih se tretira kao tehnički zrela postrojenja za primjenu u termoenergetici. Međutim, po ekonomskim parametrima imaju još karakteristike prototipa. U SAD-u je počela izgradnja niz elektrana ovog tipa s tendencijom ulaska u pogon početkom sljedećeg desetljeća, od kojih samo General Electric gradi 10 elektrana. Kao gorivo za gasifikaciju je osim uglja (većina elektrana ovog tipa koristi ugalj) moguće primijeniti i rafinerijske otpatke i teška ulja.

Gasifikacijom se generiše gasovito gorivo za pokretanje gasne turbine, a plinovi izgaranja se dalje koriste za zagrijavanje vode/vodene pare u kotlu.

Između gasnog i parnog procesa je ugrađeno odgovarajuće postrojenje za produkciju svježe pare za parnu turbinu (HRSG) – kotao utilizator. Ukupna zapremina dimnih gasova, koji se ispuštaju u okolinu, je kod postrojenja sa IGCC procesom manja nego kod postrojenja iste snage sa konvencionalnim sagorijevanjem uglja. Adekvatno manji su i investicioni i pogonski troškovi postrojenja za ODG. Velika prednost je u visokom stepenu iskorištenja uglja sa malim razvojem emisije (stepen odsumporavanja >99% i stepen denitrifikacije >70%). Sporedni proizvod je elementarni sumpor, masene čistoće 99%. U Evropi postoje dvije termoelektrane sa IGCC procesom, 250 MW u Guggenum-u, Holandija i 300 MW u Puertollano – Španija i više termoelektrane u SAD. U planu su sljedeći projekti, npr. u EU, SAD, Japanu,Kini.

Slika 2. Principijelna šema IGCC procesa G – generator električne energije, K – kompresor, KS – komora izgaranja,

GT – gasna turbina, PT – parna turbina (VT, ST i NT dio), HRSG – generator pare sa povratom toplote

Temeljni tehnološki proces u elektrani obuhvata sljedeće elemente: - dvostepeno loţište (za gasifikaciju uglja i za sagorijevanje gasa), - postrojenje za dobavu fluida za gasifikaciju (kiseonik ili vazduh), - postrojenje za čišćenje dimnih gasova i proizvodnju sumpora, - kombinovano gasno-parno postrojenje.

Šematski prikaz postrojenja sa gasifikacijom uglja dat je na sljedećoj slici.

Slika 3. Integrirana jedinica kombinovanog postupka sa gasifikacijom uglja

Primjenom najnovije generacije gasnih turbina (npr. General Electric turbine, model F) snage preko 200 MW mogoće je postići stepen korisnosti ciklusa i do 55 %, čime se mogu kompenzirati gubici energije za gasifikaciju uglja. Potrošnja goriva po jedinici proizvedene energije kod ovih postrojenja je oko 25 % manja nego kod klasičnih termoelektrana koje spaljuju ugljenu prašinu. Temeljna prednost elektrana sa gasifikacijom uglja u odnosu na klasična postrojenja je u zaštiti okoline. Kod ovih se postrojenja iz dimnih gasova odstranjuje praktički sav sumpor a proizvedena količina NOx-a je smanjena zbog niţe temperature sagorijevanja. Količina CO2 je također manja zbog veće efikasnosti pretvaranja toplotne energije u električnu.

Sumpor se zbog dodavanja vode odnosno vodene pare u kotao za gasifikaciju uglja u dimnim gasovima veţe u vodonikov sulfid (H2S), koji se redukcijom pretvara u čisti sumpor. Kao što je već navedeno te elektrane po svojim karakteristikama su još uvijek prototipovi sa nedovoljnim pogonskim iskustvom i visokom cijenom gradnje.

1.1. Primjer IGCC postrojenja: TE Puertollano – Španija

Kao karakteristični primjer elektrane sa gasifikacijom uglja i kombinovanim gasnoparnim ciklusom analizirat će se TE Puertollano – Španija. Ta termoelektrana je prototipni projekat Evropske Unije. Investitor ove termoelektrane je firma Elcogas S. A. koju je osnovalo 6 evropskih elektroprivrednih organizacija iz Španije, Portugala, Francuske, Italije, Velike Britanije i Njemačke. Konzorcij Krupp-Koppers i Babcock&Wilcox Espanola su izabrani kao odgovorni za gradnju postrojenja za gasifikaciju uglja, a konzorcij Siemens KWU i Babcock&Wilcox Espanola za ostatak elektrane. Postrojenje je u stanju preraditi ugalj različitog sastava pa i naftni koks i rafinerijski otpad. Predviđeno gorivo za elektranu je samljeveni ugalj pomiješan sa naftnim koksom, Tabela 1.

Tabela 1. Sastav komponentnih goriva i mješavine – TE Puertollano

Potrošnja goriva je oko 2600 t/dan. Iz te količine goriva se u gasifikatoru dobija 4,3x 106 Nm3/a gasa čiji je zapreminski sastav nakon čišćenja dat u sljedećoj tabeli.

Tabela 2. Sastav gasa nakon čišćenja; TE Puertollano – Španija

Zapreminski sastav gasa, prikazan u prethodnoj tabeli, odgovara slučaju kada se u ložištu za gasifikaciju koristi kiseonik. Tada se dobija gas čija toplotna moć iznosi približno trećini vrijednosti toplotne moći prirodnog gasa. Sumporni spojevi H2S i COS (ugljikov oksisulfid) koji nastaju u dimnim gasovima se čiste tako da se COS katalitičkim putem pretvara u H2S a nakon toga se H2S dodatkom vazduha podvrgava procesu oksidacije, tzv. Klaus-ov proces, u kojem se dobija čisti sumpor i voda. Toplotna moć gasa dobijenog gasifikacijom uglja je oko 10 MJ/Nm3, (radi usporedbe, prirodni gas ima toplotnu moć oko 37,5 MJ/Nm3).

Postrojenje elektrane se sastoji od tri osnovna dijela:

- postrojenje za proizvodnju prečišćenog gasa kao goriva za gasnu turbinu, - postrojenje za separaciju vazduha, - postrojenje kombinovanog gasno-parnog ciklusa.

Gasifikacija (zapravo nepotpuno sagorijevanje) uglja se vrši na temperaturi od oko 1200 °C u gasifikatoru tipa Prentlo, konstrukcije Krupp-Koppers. Mediji koji se dovode u gasifikator su ugljena prašina i kisik 85 % čistoće. Dimni gasovi prije ulaza u postrojenje za prečišćavanje se hlade do temperature od oko 200 °C vodom, odnosno parom. Proizvedena para se odvodi u generator pare gdje se miješa sa parom dobijenom hlađenjem ispušnih gasova gasne turbine i potom koristi za pogon parne turbine. Kiseonik potreban za gasifikaciju uglja se dobija u postrojenju za separaciju vazduha na kiseonik i azot. U to se postrojenje vazduh, oko 300.000 Nm3, dobavlja kompresorom kog pogoni gasna turbina pri pritisku od 16 bar. Pročišćeni dimni gasovi Klaus-ovim procesom (pročišćavanjem se odstranjuje oko 99 % sumpora iz dimnih gasova) se dalje vode u komoru za sagorijevanje gasne turbine gdje se (radi snižavanja temperature sagorijevanja) miješaju sa azotom koji dobavlja postrojenje za separaciju vazduha. Pepeo i šljaka se iz komore za gasifikaciju odvode u tečnomrežimu. Niskom sadrţaju NOx-a u dimnim gasovima pogoduje mala količina azota u

gasifikatoru uglja gdje su visoke temperature, kao i dodavanje azota u komoru za sagorijevanje gasa pred gasnom turbinom radi sniţenja temperature. Treba napomenuti da alternativno, osim gasifikacije uglja kiseonikom, postoji mogućnost da se to učini vazduhom. U tom slučaju se dobija gas koji je značajno niže toplotne moći jer se u njemu sadrţaj CO bitno smanjuje u odnosu na gasifikaciju kiseonikom, a sadrţaj azota i CO2 povećava. Ugrubo, kako je ranije navedeno, toplotna moć gasa dobijenog gasifikacijom uglja kiseonikom je oko jedne trećine a gasa dobijenog gasifikacijom uglja vazduhom oko jedne desetine toplotne moći prirodnog gasa. Pribliţni zapreminski sastav gasa dobijenog gasifikacijom uglja pomoću vazduha dat je u sljedećoj tabeli.

Tabela 3. Sastav gasa nakon gasifikacije uglja vazduhom

Toplotna moć gasa je oko 4 MJ/Nm3. Gasifikacija vazduhom se preteţno koristi u postrojenjima manjih snaga, do 150 MW, jer je količina dimnih gasova kod njih bitno veća nago kod postrojenja koje za gasifikaciju koriste kiseonik. Električnu energiju proizvodi gasna turbina snage 190 MW (tip: Siemens, model: V.94.3) i parna turbina snage 145 MW koja se iz parogeneratora sa tri pritiska pare također Siemens-ove proizvodnje. Generator pare je izrađen u Babcock&Wilcox Espanoli.

Energetski bilans postrojenja je sljedeći:

- Od 100 % toplotne energije koje u postrojenje unosi ugalj 65 % energije se iz gasifikatora odvodi proizvedenim gasom, 25 % parom (kojom se hlade vreli gasovi u gasifikatoru) a 10 % su gubici u procesu gasifikacije i čišćenja

gasova (šljaka, sumpor i toplotni gubici). Od 90 % energije (gas + para) koja se odvodi kombinovanom ciklusu 47 % se pretvara u električnu energiju na generatoru (to je ujedno i bruto iskoristivost elektrane) a ostatak od 43 % se (s izuzetkom toplotnih gubitaka) odvodi u kondenzator parne turbine i dimnjak ispušnih plinova nakon gasne turbine.

Ekonomski aspekt izgradnje postrojenja:

- Ukupni troškovi gradnje postrojenja iznose oko 990 miliona US$. Specifični investicioni troškovi su oko 2995 US$/kW, odnosno 2330 US$/kW bez troškova finansiranja i puštanja u pogon. Prema navodima investitora ta bi vrijednost, ako se isključe specifični troškovi lokacije, pala na oko 1850 US$/kW.

- US DOE navodi da se za američke uslove gradnje moţe očekivati brz pad investicijske sume gradnje IGCC postrojenja. Prema toj prognozi bi specifična cijena gradnje ovih postrojenja s današnje vrijednosti 1500 – 2000 US$/kW mogla iza 2015. godine pasti čak na oko 1000 US$/kW. To je veoma optimistična prognoza jer bi uz toliko smanjenje investicije za gradnju, IGCC postrojenje postalo jeftinije od termoelektrana loţenih ugljenom prašinom opremljenih uređajima za čišćenje dimnih gasova saglasno vaţećim normama i propisima. Specifična investicija gradnje tih termoelektrana je oko 1500

US$/kW bez bitne mogućnosti za smanjenje.

- Uzevši u obzir gore navedenu ugovorenu cijenu gradnje TE Puertollano i predviđeni pad specifičnih investicija termoelektrana sa gasifikacijom uglja kao gorivom, specifičnu investiciju elektrane iste vrste i pribliţno iste snage (uključivši i troškove kapitala tokom gradnje) ugovaranu oko 2000. Godine trebalo bi očekivati na nivou od oko 2000 US$/kW. Efikasnost te elektrane bila bi pribliţno 50 %, a predvidljiva cijena uglja oko 2 US$/GJ. Značaj IGCC elektrana u budućnosti će u znatnoj mjeri zavisiti s jedne strane o ostvarenju prognoze o osjetnom smanjenju cijene gradnje, a s druge o cijeni i raspoloţivosti prirodnog gasa u gasnim elektranama s kojima moraju postići konkurentnost u proizvodnji električne energije.

1.2. Primjer IGCC postrojenja: TE Piñon – Nevada, SAD

Instalisana snaga ovog postrojenja je 107 MWe, neto snaga (izlaz na mreţu) je 99 MWe. Postrojenje za gasifikaciju je sistem gasifikacije u fluidiziranom sloju pod pritiskom. Oksidator je vazduh. Gasifikacijom se dobija gas toplotne moći 5,22 MJ/m3. Ukupna investicija je iznosila cca 336 miliona US$ od čega je US DOE finansirao cca 168 miliona US$ odnosno 50 %. Snaga turbina je:

gasna turbina 61 MW (General Electric, tip MS6001FA); kondenzaciona parna turbina 46 MW. Kao proizvod desulfizacije se dobija 95 %-ni čisti sumpor a u pogledu emisija zagađujućih komponenti u okolinu ovo postrojenje se ogleda u 70 % manjoj emisiji NOx-a i 20 % manjoj emisiji CO2 u odnosu na konvencionalne blokove na ugalj. Ovakve performanse prvenstveno obezbjeđuje gasifikator sistema u fluidiziranom sloju pod pritiskom te postrojenje za prečišćavanja gasa. Neto energetska efikasnost postrojenja je 43,7 %.

Slika 4. Šema IGCC postrojenja: TE Piñon – Nevada, SAD

1.3. Primjer IGCC postrojenja – Tampa Electric Company, SAD

Lokacija: Mulberry, Polk County, Florida (Tampa Electric Company's Polk Power Station (PPS), Unit No. 1). Instalisana snaga ovog postrojenja je 315 MWe, neto snaga (izlaz na mreţu) je 250 MWe. Postrojenje za gasifikaciju je sistem gasifikacije Texaco pod pritiskom. Gorivo je mješavina ugljeva (sadrţaj sumpora 2,5÷3,5 %), naftnog koksa i biomase. Oksidator je kiseonik dobijen u postrojenju za separaciju vazduha (O2 + N2 koji se poslije koristi za sniţavanje temperature sagorijevanja u komori sagorijevanja gasne turbine). Gasifikacijom se dobija gas toplotne moći cca 9,13 MJ/m3. Ukupna investicija je iznosila cca 303 miliona US$ od čega je US DOE finansirao cca 151 miliona US$ odnosno 49 %. Snaga turbina je: gasna turbina 192 MW (General Electric, tip MS7001FA); kondenzaciona parna turbina 46 MW. Kao proizvod desulfizacije se dobija 97 %-ni čisti sumpor a u pogledu emisija zagađujućih komponenti u okolinu ovo postrojenje se ogleda npr. kroz vrijednost cca 300

mg/kWh emisiji NOx-a. Osnovu vlastite potrošnje električne energije bloka čini 55 MW potrebnih za postrojenje separacije vazduha. Troškovi investicije 2001. godine su iznosili u prosjeku 1650 US$/kW. Specifična potrošnja toplote je 10180 kJ/kWh u odnosu na gornju toplotnu moć goriva.

Slika 5. Šema IGCC postrojenja – Tampa Electric Company

1.4. Primjer IGCC postrojenja – Wabash River, SAD

Lokacija: West Terre Haute, Vigo County, IN (PSI Energy's Wabash River Generating Station, Unit No. 1). Instalisana snaga ovog postrojenja je 296 MWe, neto snaga (izlaz na mreţu) je 262 MWe. Postrojenje za gasifikaciju je sistem gasifikacije E-Gas Technology pod pritiskom. Gorivo je ugalj (osnova) ili pomiješan sa mazutom. Oksidator je 95 %-ni kiseonik dobijen u postrojenju za separaciju vazduha (O2 + N2 koji se poslije koristi za sniţavanje temperature sagorijevanja u komori sagorijevanja gasne turbine). Temperatura u gasifikatoru je 1420 °C. Sporedni proizvod postrojenja je i tečni sumpor. Gasifikacijom se dobija gas toplotne moći cca 9,12 MJ/m3. Ukupna investicija je iznosila cca 438 miliona US$ od čega je US DOE finansirao cca 219 miliona US$ odnosno 50 %. Snaga turbina je: gasna

turbina 192 MW (General Electric, tip MS7001FA); kondenzaciona parna turbina 70 MW. Kao proizvod desulfizacije se dobija tečni sumpor (99 % sumpora se izdvaja) a u pogledu emisija zagađujućih komponenti u okolinu ovo postrojenje se ogleda npr. Kroz vrijednost 0,065 mg/kJ emisiji NOx-a. Troškovi investicije 1994. godine su iznosili u prosjeku cca 1600 US$/kW. Specifična potrošnja toplote je 9400 kJ/kWh u odnosu na gornju toplotnu moć goriva. Energetska efikasnost postrojenja je od 39,7 do 40,2 %. Nominalna potrošnja goriva je 2450 t/dan. Kapacitet gasifikatora je 1780 x 106 kJ/h. Stepen odsumporavanja veći od 99 %.

Slika 6. Šema IGCC postrojenja – Wabash River

1.5. Primjer IGCC postrojenja – Kentaky, SAD

Lokacija: West Terre Haute, Vigo County, IN (PSI Energy's Wabash River Generating Station, Unit No. 1). Instalisana snaga ovog postrojenja je 580 MWe, neto snaga (izlaz na mreţu) je IGCC=540 MWe + gorivna ćelija (MCFC) 2 MW. Postrojenje za gasifikaciju je sistem British Gas – Lurgi. Gorivo je ugalj (osnova) i pelete. Oksidator je 95 %-ni kiseonik dobijen u postrojenju za separaciju vazduha (O2 + N2 koji se poslije koristi za snižavanje temperature sagorijevanja u komori sagorijevanja gasne turbine). Temperatura u

gasifikatoru je 1430 °C. Sporedni proizvod postrojenja je sumpor. Gasifikacijom se dobija gas toplotne moći cca 9,12 MJ/m3. Ukupna investicija je iznosila cca 432 miliona US$ od čega je US DOE finansirao cca 78 miliona US$ odnosno 18 %. Snaga turbina je: gasna turbina 192 MW (General Electric, tip MS7001FA); kondenzaciona parna turbina 70 MW; gorivna ćelija 2 MW. Kao proizvod desulfizacije se dobija tečni sumpor (99 % sumpora se izdvaja) a u pogledu emisija zagađujućih komponenti u okolinu ovo postrojenje se ogleda npr. kroz smanjenje emisije CO2 za 20 % i NOx-a za 90 %. Troškovi investicije 1994. godine su iznosili u prosjeku cca 1600 US$/kW. Specifična potrošnja toplote je 9400 kJ/kWh u odnosu na gornju toplotnu moć goriva. Energetska efikasnost postrojenja je 42,5 %, (gorivna ćelija 46,2 %). Nominalna potrošnja goriva je 2450 t/dan. Kapacitet gasifikatora je 1780 x 106 kJ/h. Stepen odsumporavanja veći od 99 %.

Slika 7. Šema IGCC postrojenja – Kentaky

1.6. IGCC postrojenje u izgradnji – Japan

Karakteristike:

- Snaga: bruto 250 MW, neto 220 MW

- Gorivo: ugalj – potrošnja 1700 t/dan

- Gasifikacija vazduhom

- Specifična potrošnja toplote 8570 kJ/kWh

- Stepen efikasnosti 42 %

- Toplotna moć gasa cca 5 MJ/m3

- Gasna turbina Mitsubishi Heavy Industries, M701DA, 142 MW

- Parna turbina, 110 MW

- Stanje: u fazi izgranje – vidi termin plan na sljedećoj slici – start: 2007.

Slika 8. Termin plan izgradnje IGCC postrojenja – Japan

Slika 9. Karakteristike dvostepenog gasifikatora – IGCC, Japan

1.7. Rezime glavnih osobina IGCC postrojenja

U poređenju IGCC tehnologija sa konvencionalnim tehnologijama spaljivanja uglja i

dobijanja električne energije izdvajaju se osnovne prednosti IGCC tehnologija:

- Čistija okolina,

- Visoka efikasnost,

- Niţa cijena električne energije,

- Potencijalno niţi investicioni troškovi,

- Mogućnost rekonstrukcije postojećih blokova u IGCC,

- Fleksibilnost prema vrsti goriva,

- Fazna konstrukcija,

- Manja upotreba vode,

- Niţa CO2 emisija,

- Javna prihvatljivost.

Osnovni nedostatak IGCC tehnologija, za sada, su investicioni troškovi koji po

jedinici instalisane snage još uvijek prelaze stabilne vrijednosti istih za

konvencionalne pogone.

Sadržaj

Kombinovani ciklus sa integrisanom gasifikacijom (IGCC)........................................1

1.1. Primjer IGCC postrojenja: TE Puertollano – Španija............................................4

1.2. Primjer IGCC postrojenja: TE Piñon – Nevada, SAD.............................................7

1.3. Primjer IGCC postrojenja – Tampa Electric Company, SAD................................8

1.4. Primjer IGCC postrojenja – Wabash River, SAD...................................................9

1.5. Primjer IGCC postrojenja – Kentaky, SAD...........................................................10

1.6. IGCC postrojenje u izgradnji – Japan...................................................................11

1.7. Rezime glavnih osobina IGCC postrojenja..........................................................12