1/30

IMPLEMENTACJA CIŚNIENIOWEGO SPALANIA

TLENOWEGO WĘGLA W ZINTEGROWANYM UKŁADZIE

ENERGOTECHNOLOGICZNYM WYTWARZANIA GAZU

SYNTEZOWEGO DO PRODUKCJI METANOLU

Mateusz Babiarz, Jarosław Zuwała, Marek Ściążko

INSTYTUT CHEMICZNEJ PRZERÓBKI WĘGLA

2/30

PLAN PREZENTACJI

1.WPROWADZENIE

2.CELE PRACY

3.OPIS STRUKTURY ZINTEGROWANEJ

4.METODYKA PRACY

5.ZAŁOŻENIA I WYNIKI OBLICZEŃ SYMULACYJNYCH

6.PODSUMOWANIE

7.LITERATURA

3/30

WPROWADZENIE

Technologie zgazowania węgla głównie w cyklu kombinowanym będą zyskiwać coraz większe znaczenie w rozwoju energetyki na śwecie. Jednocześnie, mając na uwadze wymogi dotyczące ograniczenia emisji CO2 towarzyszącego procesom wytwarzania energii i procesom technologicznym należy zwrócić uwagę na rozwój technologii umożliwiających wychwyt ditlenku węgla i przygotowywanie go do sekwestracji. Jedną z takich technologii jest spalanie tlenowe, czyli oksy-spalanie.

W prezentacji rozwinięto koncepcję połączenia układu IGCC ze zgazowaniem węgla kamiennego w reaktorze ze złożem fluidalnym z jednoczesnym tlenowym spalaniem powstałego karbonizatu w kotle CFB na parametry nadkrytyczne. Zamodelowany układ energotechnologiczny ukierunkowany jest na produkcję gazu syntezowego do wytwarzania metanolu, a energia elektryczna wytwarzana jest praktycznie wyłącznie na potrzeby własne.

4/30

CELE PRACY

Określenie ilości produkowanego gazu syntezowego o skorygowanym składzie w przeliczeniu na jednostkę zużywanego paliwa stałego,

Oszacowanie przybliżonej ilości możliwego do wytworzenia metanolu,

Ocena zastosowania metody unikniętych nakładów paliwowych do alokacji obciążeń środowiskowych w rozważanym procesie energotechnologicznym.

5/30

Schemat blokowy procesu zgazowania węgla połączonego z tlenowym spalaniem powstałego karbonizatu i sekwestracją CO2

REAKTORZGAZOWANIA

INSTALACJAUSUWANIA GAZÓW

KWAŚNYCH

KOCIOŁCFB

REAKTORKONWERSJI

CO

ZESPÓŁWYMIENNIKÓW

ROZDZIAŁSPALIN

POWIETRZE5873 kg/h

WĘGIEL1000 kg/h

WODAPROCESOWA

723 kg/h

TLEN

H2S + SO27 kg/h

CO2

H2 + CO + CO2 + zw. siarki

CO2

CO2

CO2

GAZSYNTEZOWY

698 kg/h

GAZ SUROWY

GAZ ODPYLONY

KARBONIZAT+

POPIÓŁ

POPIÓŁ 91 kg/h

SPALINY

SPALINY

PARAWODNA

WODAZASILAJĄCA

PARAWODNA

UKŁADREGENERACJI

WODAZASILAJĄCA

TLEN

SEKWESTRACJA CO21548 kg/h

PRODUKCJAENERGII

ELEKTRYCZNEJ 1,355 MW

MOC ELEKTRYCZNANA POTRZEBY WŁASNE

2.425 MW

WODAZASILAJĄCA

OSŁONA BILANSOWA

AZOT

SEKWESTRACJACO2

376 kg/h

AZOT4485 kg/h

TP

REAKTORHYDROLIZY

COS

SKRUBER

WYMIENNIKCIEPŁA

KONDENSAT352 kg/h

KONDENSAT 39 kg/h

SKRAPLACZ

BATERIACYKLONÓW

TLENOWNIA

6/30

METODYKA PRACY

gdzie:

ENel – zużycie energii obciążające wytwarzanie produktu ubocznego [MW];

Eel – strumień energii elektrycznej [MW] – zgodnie z przyjętą zasadą uniknięcia nakładów paliwowych;

𝝶E(el)z – sprawność procesu zastąpionego produkcji energii elektrycznej – przyjęto wartość 0,38;

Engaz – zużycie energii obciążające wytwarzanie produktu głównego [MW]

strumień energii chemicznej gazu [MW];𝝶Esk – sprawność energetyczna procesu skojarzonego.

7/30

ZAŁOŻENIA I WYNIKI OBLICZEŃ SYMULACYJNYCH

8/30

Właściwości węgla „Wieczorek 1” oraz karbonizatu wykorzystanych w obliczeniach symulacyjnych

ParametrWęgiel Karbonizat% mas. % mas.

Ca 70,9 72,2

Ha 4,1 1,1

Na 1,1 1,3

Oa 7,7 1,5

Sat 0,5 0,7

Wa 6,0 1,1

Aa 9,7 22,1

9/30

Składnik

Skład gazu syntezowego

Skład spalin wilgotnych

z oksyspalania

% obj. % obj.

H2 63,6 0,0N2 0,6 0,7O2 0,0 6,8

H2O 0,3 8,2

CO 30,3 0,0CO2 3,2 81,6SO2 0,0 0,3CH4 0,5 0,0Ar 1,5 2,4

Skład gazu syntezowego oczyszczonego o skorygowanym składzie oraz skład spalin wilgotnych z oksyspalania karbonizatu

10/30

Bilans mocy elektrycznej oraz parametry wytwarzanej pary wodnej

Moc elektryczna

Układ z CCS

Układ bez CCS Jednostka

NB 1,355 1,355 MW

NW 1,338 1,286 MW

Puż 0,017 0,069 MW

Parametry wytwarzanej pary wodnej

Temperatura 620 oC

Ciśnienie 30 MPa

11/30

Zestawienie strumieni masowych i energetycznych oraz wartości opałowych paliwa, gazu syntezowego i metanolu

Parametr Oznaczenie Wartość JednostkaStrumień masowy węgla mw 1000,0 kg/h

Wartość opałowa węgla Qw 28,050 MJ/kg

Strumień użytecznej energii węgla Ew 7,792 MW

Strumień masowy gazu syntezowego mgaz 697,6 kg/h

Wartość opałowa gazu syntezowego Qgaz 20,190 MJ/kg

Strumień użytecznej energii gazu syntezowego Egaz 3,912 MW

Strumień tlenku węgla mCO 490,7 kg/h

Strumień masowy metanolu(*) mmet 555,7 kg/h

Wartość opałowa metanolu(*) Qmet 19,900 MJ/kg

Strumień użytecznej energii metanolu(*) Emet 3,072 MW

Strumień energii obciążającej wytwarzanie gazu syntezowego ENgaz 9,869 MW

12/30

Sprawności energetyczne procesów: granicznego, skojarzonego oraz wytwarzania produktu głównego bez operacji usuwania CO2 (A) oraz usuwaniem i sprężaniem CO2 (B)

Parametr Ozn.Brak CCS CCS

Jedn.Netto Brutto Netto Brutto

Strumień energii charakteryzujący elektryczność Eel 0,069 1,355 0,017 1,355 MW

Sprawność energetyczna procesu granicznego zastąpionego przez wytworzenie energii elektrycznej w układzie własnym

ηE(el)z 0,38 0,38 0,38 0,38 -

Zużycie energii obciążające wytwarzanie elektryczności ENel 0,182 3,566 0,045 3,566 MW

Sprawność energetyczna procesu skojarzonego ηEsk 0,40 0,57 0,40 0,57 -

Sprawność energetyczna cząstkowa wytwarzania produktu głównego - gazu syntezowego

ηgaz 0,50 0,50 0,50 0,50 -

13/30

Zestawienie porównawcze wskaźników ECO2 emisji CO2 oraz zużycia energii chemicznej paliwa (węgla kamiennego lub gazu ziemnego) Ppal w przeliczeniu na jednostkę wytwarzanej energii

elektrycznej i energii chemicznej (szacowanej) metanolu

Wskaźnik/Konfiguracja

Zintegrowany układ

oksyspalania i zgazowania z usuwaniem

i sprężaniem CO2

+ wytwarzanie gazu do syntezy

metanolu

Zintegrowany układ

oksyspalania i zgazowania bez usuwania

i sprężania CO2

+ wytwarzanie gazu do syntezy

metanolu

Wytwarzanie energii

elektrycznej w procesie

zastępowanym (elektrownia

systemowa) (*)

Wytwarzanie metanolu

z gazu ziemnego

ECO2 [t/MWhel] netto 0,010 0,107 0,880 -ECO2 [t/GJmet] 0,015 0,164 - 0,020Ppal [GJpal/MWhel] netto 4,6E-04 4,6E-04 9,474 -Ppal [GJpal/GJmet] 2,537 2,537 - 1,741

14/30

PODSUMOWANIE

Modelowany układ energotechnologiczny zapewnia otrzymanie z 1 t węgla kamiennego ok. 700 kg (1294 Nm3) czystego gazu syntezowego o składzie skorygowanym w sposób umożliwiający zastosowanie go do syntezy ok. 556 kg metanolu

Z wyników zamieszczonych w tabeli 3 można wnioskować, że teoretycznie układ byłby samowystarczalny pod względem zużycia energii elektrycznej, ponadto dzięki skojarzeniu odnotowuje się oszczędność energii chemicznej paliwa

Emisja jednostkowa CO2 na jednostkę wytwarzanej elektryczności, zużywanej na potrzeby własne jest kilkukrotnie niższa niż w przypadku procesu zastępowanego

Elementem niekorzystnym jest fakt, że zarówno spalanie tlenowe jak i zgazowanie węgla za pomocą CO2 nie są jak dotąd procesami wdrożonymi w warunkach przemysłowych

15/30

LITERATURAAldrich R., Xavier Llauró F., Puig J., Mutjé P., A`ngels Pe`lach M.: Allocation of GHG

emissions in combined heat and power systems: a new proposal for considering inefficiencies of the system. Journal of Cleaner Production 2011; (19): pp. 1072-1079

Australian Methanol Company Pty Ltd, Methanol Plant and Product Export, Burrup Peninsula, Environmental Protection Authority Perth, Western Australia – Bulletin 1075 November 2002, ISBN. 0 7307 6713 2

Azapagic A., Clift R.: Allocation next term of environmental burdens in multiple-function systems. Journal of Cleaner Production 1999; (7): pp. 101-119

Chmielniak T., Tatarczuk A., Materiały VIII Warsztatów „Modelowanie przepływów wielofazowych w układach termochemicznych”, Wieżyca k/Gdańska, 31.05 – 2.06 2009, 17

González, J.M. Sala, I. Flores, L.M. López. Application of thermoeconomics to the allocation of environmental loads in the life cycle assessment of cogeneration plants. Energy 2003; (28): pp. 557-574

Guinee J.B.: Handbook on Life Cycle Assessment. Kluwer Academic Publishers, Dodrecht 2002

Kiga T. Australia Japan and Australia Partnership on Coal Technology Related to JCOAL. Australia Japan Coal Technology Workshop Friday 26 June 2009 Brisbane

16/30

Kotowicz J., Iluk T.: Układy gazowo – parowe zintegrowane ze zgazowaniem. Rynek Energii 2008; 76(3):34-40

Kotowicz J., Skorek – Osiowska A., Bartela Ł.: Economic and environmental evaluation of selected advanced power generation technologies. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part A: Jorunal of Power and Energy 2011; 225(3):221-232

Kotowicz J., Sobolewski A., Iluk T, Matuszek K.: Zgazowanie biomasy w reaktorze ze złożem stałym. Rynek Energii 2009; 81(2):52-58

Laudyn D., Pawlik M., Strzelczyk F.: Elektrownie, Wydawnictwo WNTRaport National Energy Technology Laboratory: KRW Gasifier IGCC base cases. PED-IGCC-

98-005, US Department of Energy 2000 Raport National Energy Technology Laboratory: Shell Gasifier IGCC base cases. PED-IGCC-

98-002, US Department of Energy 2000Rosen M.A.: Allocating carbon dioxide emissions from cogeneration systems: descriptions

of selected output-based methods. Journal of Cleaner Production 2008; (16): pp. 171-177

Sobolewski A., Kotowicz J., Iluk T., Matuszek K.: Badania eksperymentalne zgazowania biomasy pod kątem wykorzystania gazu procesowego w układzie kogeneracji. Przemysł Chemiczny 2010; 89(6):794-798

LITERATURA

17/30

Szargut J.: Analiza termodynamiczna i ekonomiczna w energetyce przemysłowej. WNT, Warszawa 1983

Tatarczuk A., Zapart L., Dreszer K., Ściążko M.: Modelowanie procesowe i ekonomiczne wytwarzania metanolu poprzez zgazowanie węgla kamiennego. Przemysł Chemiczny 2010, 89/6

Zuwała J., Babiarz M., Ściążko M.: Zintegrowany układ oksyspalania i zgazowania węgla. Rynek Energii 2011, 3(94): 41-46

Zuwała J., Kolarz E., Zapart L.: Opracowanie modeli procesowych i ekonomicznych układów spalania węgla w kotłach pyłowych na parametry nadkrytyczne bez oraz z usuwaniem CO2. Opracowanie modeli procesowychi ekonomicznych układów spalania węgla w tlenie i produkcji energii elektrycznej. Sprawozdanie z realizacji tematu nr 1.37, IChPW Zabrze 2008

LITERATURA

18/30

INSTYTUT CHEMICZNEJ PRZERÓBKI WĘGLAul. Zamkowa 1; 41-803 Zabrze

Telefon: 32 271 00 41Fax: 32 271 08 09

NIP: 648-000-87-65Regon: 000025945

E-mail: office@ichpw.zabrze.plInternet: www.ichpw.zabrze.pl