Transcript Mozliwosci.ograniczenia.emisji.CO2.z.zastosowaniem.spalania

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.