POLITECHNIKA CZĘSTOCHOWSKA

WYDZIAŁ INŻYNIERII PROCESOWEJ, MATERIAŁOWEJ I FIZYKI STOSOWANEJ

KATEDRA PIECÓW PRZEMYSŁOWYCH I OCHRONY ŚRODOWISKA

EMISJA CO

2

MOŻLIWOŚCI JEJ OGRANICZENIA

Mgr inż. Marta Kowalik Mgr inż. Agnieszka Klos Prof. PCZ. Dr hab. inż. Marian Kieloch

STRESZCZENIE

Dwutlenek węgla zajmuje czołowe miejsce pod względem ilości emitowanych zanieczyszczeń do powietrza. Pochodzi on m.in. z wytwarzania energii elektrycznej i cieplnej, procesów technologicznych oraz komunikacji.

Mimo spornych kwestii dotyczących wpływu CO przez Polskę w 2002r. Protokół z Kioto.

2 na zmiany klimatu jesteśmy zmuszeni do ograniczenia emisji tego związku. Obliguje nas do tego podpisany W pracy, na podstawie przeglądu literatury i wyników badań własnych, przedstawiono sposoby i metody ograniczenia emisji CO 2 .

Pomimo znaczących postępów w dziedzinie ochrony środowiska poziom zanieczyszczenia atmosfery w Polsce jest nadal wysoki. Za taki stan powietrza odpowiedzialna jest m.in.:

emisja gazów toksycznych, oparcie energetyki na węglu, duży transgraniczny przepływ zanieczyszczeń, błędy lokalizacyjne emitorów.

PRZYCZYNY ZANIECZYSZCZEŃ POWIETRZA

Zanieczyszczenia gazowe emitowane do powietrza pochodzą z następujących rodzajów działalności:



procesów technologicznych

(przetwórstwa przemysłowego), mogą to być gazy nieorganiczne: chlorowodór, siarkowodór oraz gazy organiczne: węglowodory, alkohole, estry, oraz pyły, 

wytwarzania energii elektrycznej i cieplnej

powodującego uwalnianie takich zanieczyszczeń jak: dwutlenek węgla, dwutlenek siarki, tlenki azotu, 

komunikacji-

pyłowe i gazowe w dużej mierze zanieczyszczenia

WYTWARZANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ I CIEPLNEJ JAKO JEDNA Z GŁÓWNYCH PRZYCZYN EMISJI CO

a spalanie paliw kopalnych odbywa się na masową skalę, emisja CO wiąże się z emisją CO 2 2

2

. Zużycie paliw w Polsce przedstawiono na rys.1.

W POLSCE

Ze względu na to, iż współczesna cywilizacja ma ogromne potrzeby energetyczne, jest nieunikniona.

Polska należy do stosunkowo nielicznej grupy krajów, gdzie wytwarzanie energii elektrycznej i ciepła bazuje niemal wyłącznie na stałych paliwach kopalnych: węglu kamiennym i brunatnym (prawie 76%). Także spalanie ropy naftowej i gazu ziemnego 2% 9% 13% Węgiel kamienny Węgiel brunatny Ropa naftowa Gaz ziemny Odnawialne źródła energii 14%

Rys.1. Zużycie paliw w Polsce

62%

Popularność energii, opartej na spalaniu węgla, wynika z faktu zasobności naszego kraju w to paliwo oraz braku znaczących ilości innych nośników energii pierwotnej.

Polskie zasoby tego minerału należą do jednych z największych na świecie. Przez wiele lat Polska zajmowała miejsca w pierwszej piątce krajów o największym wydobyciu węgla kamiennego. Według danych z 2007 roku, spadła na 8 miejsce, wydobywając 95 mln ton rocznie 160 mln ton).

(najwięcej węgla kamiennego wydobyto w 1980 roku- ponad Czołowe miejsca w rankingu zajmują Chiny i USA.

Kazachstan Polska Indonezja Rosja RPA Australia Indie USA Chiny 0% 10%

Rys.2. Producenci węgla

20% 30% 40% 50%

Energetyczne spalanie węgla ma w Polsce największy udział w wytwarzaniu zanieczyszczeń takich jak: dwutlenek węgla, dwutlenek siarki, tlenki azotu, popioły lotne.

W całkowitej masie emisji zanieczyszczeń powstałych w wyniku spalania węgla kamiennego największy udział stanowi dwutlenek węgla (98%).

480 430 380 330 280 230 180 1985 1990 1995 CO2 limity CO2 2000 2005

Rok

2010 2015 2020

Rys.3. Emisja CO 2 wraz z limitami

Biorąc pod uwagę obliczenia spalania poszczególnych paliw można stwierdzić, że największa jednostkowa emisja CO 2 pochodzi ze spalania węgla kamiennego.

20 15 10 5 0 węgiel kamienny węgiel brunatny olej opałowy CO2 H2O gaz ziemny drewno

Rys.4. Jednostkowa emisja CO 2 i H 2 O

EMISJA CO

2

, A ZMIANY KLIMATU

WARIANT 1

Ocieplenie klimatu jest faktem, i że przez ostatnie 100 lat średnia temperatura na powierzchni Ziemi podniosła się o 0,74K. Aby przekonać sceptyków do ideologii globalnego ocieplenia, pokazuje się lata 90-te ubiegłego wieku, gdzie rzeczywiście temperatura w 1998 r. wzrosła znacząco.

WARIANT 2

Biorąc pod uwagę najnowsze dane klimat jednak się oziębia. I tak przyglądając się wykresowi średnich temperatur nad lądami i morzami,okazuje się, że badając lata 1998-2008, można mówić o wyraźnej tendencji spadku temperatur, której minimum przypada na styczeń 2008.

Rys.5.Wykres temperatury sporządzony przez UK’s Hadley Climate Research Unit Temperature anomaly

PRZYCZYNY ZMIAN KLIMATU

ZEWNĘTRZNE aktywność Słońca

Rzeczywistym, według sceptyków, sprawcą zmian klimatu na Ziemi jest Słońce, a konkretnie- niewielkie wahania poziomu natężenia promieniowania docierającego do Ziemi.

WEWNĘTRZNE działalność człowieka, zmiany cyrkulacji w oceanach, zmiany składu atmosfery, wybuchy wulkanów.

WYMAGANIA PRAWNE DOTYCZĄCE EMISJI

Podpisany przez Polskę w 2002 r. tzw. Protokół z Kioto (1989r.) nakłada obowiązek znacznego zredukowania emisji CO 2 .

W związku z tym, iż emisja szkodliwych związków do atmosfery staje się poważnym problem, Komisja Europejska wydaje stosowny dokument, który ustala ich limity. Zaakceptowana przez Brukselę wielkość emisji CO 2 przedstawia się następująco: 16 14 12 10 8 6 4 2 0

3,7 4 2,5 2,5 5,4 5,2 6,1 5,5 9,5 8,5

2005-2007

6,2 5,5 2,5 2,2 3,1 2,7

W ie lk a Br yt an ia S zw ec ja H ol an di a N ie m cy C ze ch y P O LS KA Fr an cj a W eg ry 2008-2012

3,6 2,6

Li tw a Ło tw

2

a

1,4 14,1

E st on ia

9,5 Rys.6. Wielkość emisji CO 2 w tonach w przeliczeniu na mieszkańca

MOŻLIWOŚCI OGRANICZENIA CO

2

W ostatnich latach największa uwaga, zarówno rządów– ze względu na obligacje wynikające z Protokołu Kioto jak i środowisk przemysłowych i naukowych, jest skierowana na emisję dwutlenku węgla i możliwość jej ograniczenia.

OGRANICZENIE EMISJI CO

2

POCHODZĄCEJ ZE SPALANIA WĘGLA

Biorąc pod uwagę, że energetyka polska opiera się w dużej mierze na spalaniu węgla zmniejszenie emisji CO 2 można osiągnąć poprzez: 

poprawę jakości węgla,

Poprawa jakości węgla poprzez wzbogacanie bądź brykietowanie umożliwia nam redukcję CO 2 do 5%.



poprawę sprawności istniejących elektrowni,

Redukcję CO 2 do 22% można osiągnąć dzięki poprawie sprawności istniejących elektrowni. Uzyskuje się to w konwencjonalnych elektrowniach na parametrach podkrytycznych osiągalna sprawność to 38-40%; dla instalacji superperkrytycznych i ultrasuperkrytycznych – nawet ponad 45%. Instalacje o takich modułach pracują już w Japonii, USA, Europie, Rosji i Chinach.



zastosowanie zaawansowanych technologii

Nowoczesne efektywne technologie spalania nakierowane są na poprawę sprawności najbardziej popularnych w świecie instalacji konwencjonalnego spalania pyłu węglowego, spalania w złożu fluidalnym oraz spalania węgla uprzednio zgazowanego. Dzięki tym sposobom możliwa jest redukcja CO 2 do 25%.

ZASTOSOWANIE ENERGII ODNAWIALNEJ

Zwiększone potrzeby energetyczne, ograniczenie zasobów paliw kopalnych, zmiana temperatury naszej planety, oraz troska o środowisko naturalne wymuszają zwiększenie wykorzystania energii odnawialnej. W ze źródeł odnawialnych stanowi ok. 18%. Światowa Komisja Rady Energetycznej przewiduje zwiększenie udziału energii odnawialnej do 2020 r. o 21,3% a nawet o 29,6%. Odnawialne źródła energii stanowią energetykę bardzo elastyczną, wykorzystującą energię pod postacią promieniowania światowym bilansie zużycia paliw energia pozyskiwana słonecznego, wiatru, wody, ciepła wnętrza Ziemi, a także biomasy. Aktualnie największy udział w energii pozyskiwanej ze źródeł odnawialnych stanowi biomasa .

Zaletą stosowania biomasy w przetworzonej postaci (biopaliwa) jest tzw. „zerowy bilans CO 2 ”

ZMIANA STRUKTURY NOŚNIKÓW ENERGII

Znaczne ograniczenie emisji CO 2 możliwe jest poprzez zmianę rodzaju paliwa. Obliczenia wykazały, że zastępując węgiel brunatny gazem ziemnym emisję CO 2 obniżymy trzykrotnie. Zastępując paliwa kopalne drewnem teoretycznie możliwe jest wyeliminowanie emisji CO 2 .

Tabela.1 Wyniki obliczeń spalania paliw Rodzaj paliwa Objętość spalin wilgotnych Skład spalin- CO 2 Wartość opałowa-Wd Emisja CO 2

Węgiel kamienny Węgiel brunatny Drewno Gaz ziemny Olej opałowy

um 3 /kg

9.7

9.6

5.8

11.2* 12.6

um 3 /kg

1.59

1.46

0.95

0.90* 1.65

23.0

16.0

13.0

34.5** 42.5

MJ/kg kgCO 2 /MJ

69

.

10 -3 91.2

.

10 -3 73.1

.

10 -3 *** 26.1

. 10 -3 38.8

. 10 -3 * dla gazu podano w [um 3 /um 3 ], ** dla gazu podano w [MJ/m 3 ], *** „zerowy bilans” Rozsądnym rozwiązaniem jest stasowanie w energetyce różnych paliw jednocześnie. Współspalanie paliw oznacza brak całkowitego uzależnienia urządzenia energetycznego od jednego paliwa, a także ograniczenie emisji zanieczyszczeń. Największe zastosowanie w tym procesie ma wykorzystanie biomasy lub jej postaci przetworzonej (biopaliw) w procesie spalania z węglem. Równoczesne wykorzystywanie węgla i biomasy, może znacząco poprawić sprawność przetwarzania energii ze źródeł odnawialnych i może być najbardziej ekonomiczną drogą do zwiększenia ich wykorzystania.

SKŁADOWANIE CO

2

W STRUKTURACH GEOLOGICZNYCH

Wychwytywanie i magazynowanie CO 2 jest przedmiotem intensywnych prac badawczych na świecie. Jednym ze sposobów jest technologia

CCS

( ang. Carbon Capture and Storage). Koncepcja technologii CCS polega na wychwyceniu dwutlenku węgla powstałego w wyniku spalania węgla w elektrowni węglowej, który następnie w formie ciekłej jest transportowany i składowany w odpowiednich strukturach geologicznych. Poszczególne elementy technologii CCS– różne metody wychwytywania, transportu, czy magazynowania CO 2 , są już w świecie znane i praktykowane (m.in. w Norwegii, Stanach Zjednoczonych). Brak jednak doświadczenia w ich wykorzystaniu na dużą skalę, wiedzy na temat modyfikacji ich łączenia i efektywności działania oraz skutków magazynowania CO 2 przez dłuższy okres czasu.

Kluczowym elementem, niezbędnym dla rozwoju technologii CCS w Polsce jest jej akceptacja społeczna. Kształtowanie świadomości społeczeństwa możliwe jest jedynie w oparciu o rzetelne informacje dotyczące technologii i jej bezpieczeństwa. Stąd konieczność rozwoju badań nad możliwymi implikacjami magazynowania CO 2 i jego ewentualnego wycieku do środowiska.

ZASTOSOWANIE ENERGOOSZCZĘDNYCH TECHNOLOGII PRODUKCYJNYCH

Wpływ technologii procesów nagrzewania na emisję CO

oraz pośrednio ze stratą stali na zgorzelinę.

2 .

Emisja dwutlenku węgla jest bezpośrednio związana ze wskaźnikiem jednostkowego zużycia ciepła Emisję dwutlenku węgla w zależności od zużycia ciepła (q) można obliczyć z zależności:

m CO

2 

q W d

  0 

V

"

CO

2 Dla gazu ziemnego o składzie: CO2 – 0.1%; O2 – 0.1%; CH4 – 96.7%; C2H6 – 0.6%; N2 – 2.5%, jednostkowa objętość dwutlenku węgla podczas spalania gazu z wartością stosunku nadmiaru powietrza α= 1.05 wynosi m 3 /m 3 g. Gęstość CO: ρ 0 =1.94 kg/ m 3 . Wartość opałowa gazu Wd=34 580 kJ/um 3 Lp.

M K/h q kJ/kg m’ CO2 kg/kgstali z kg/m 2

1 2 3 4 5 6 7 100 200 300 400 500 600 700 3428.3

2522.4

2243.9

2120.7

2054.6

2010.8

1980.6

0.188

0.139

0.123

0.117

0.113

0.111

0.109

4.396

3.394

3.183

3.152

3.171

3.186

3.227

Tabela 2. Zestawienie wyników obliczeń emisji CO 2 w zależności od zużycia ciepła i straty stali

Obliczenia wykonano dla pieca grzewczego, którego komora grzewcza ma długość L = 28 m, wsad stanowią slaby o grubości 2s = 0,3 m i długości l = 5m.

Przyjęto, że:  powierzchnia nagrzewanego wsadu: F = 300 m 2 ;    objętość wsadu: V = 42 m 3 ; gęstość wsadu: ρ = 7850 kg/m 3 ; masa wsadu m = 329 700 kg. Stratę stali w odniesieniu do kilograma nagrzewanego wsadu ujmuje zależność

z

' 

z



F m

Stratę ciepła na kilogram traconej stali obliczono z zależności:

q

" 

q

' 

z

' W obliczeniach średnią wartość energochłonności produkcji stali przyjęto q ´ .

= 35 000kJ/kg.

Tabela 3. Zestawienie wyników obliczeń emisji CO 2 ciepła i straty stali w zależności od zużycia Lp.

1 2 3 6 7 4 5 M K/h 100 200 300 400 500 600 700 q kJ/kg 3428.3

2522.4

2243.9

2120.7

2054.6

2010.8

1980.6

m’ CO2 kg/kgsta li 0.188

z kg/m 2 4.396

z’ kg/kg 0.00400

0.139

0.123

3.394

3.183

0.00309

0.00290

0.117

0.113

0.111

0.109

3.152

3.171

3.186

3.227

0.00287

0.00289

0.00290

0.00294

q” kJ/kg 140.0

108.2

101.5

100.4

101.2

101.5

102.9

m” CO2 kg/kg stali 0.0077

0.0059

0.0056

0.0055

0.0056

0.0056

0.0057

Σm CO2 kg/kg stali 0.1957

0.1449

0.1286

0.1225

0.1186

0.1166

0.1147

Emisję CO 2 obliczono z zależności (1). Wyniki obliczeń zamieszczono w tabeli 2.

Wpływ szybkości podgrzewania na emisję CO 2 ´, CO 2 ´´ i sumę CO 2 zamieszczono na rys. poniżej.

0,2 0,18 0,16 0,14 0,12 0,1 0,08 0,06 0,04 0,02 0 100 m' m" suma m 200 300 400 M [K/h] 500 600

Rys.7. Wpływ szybkości podgrzewania na emisję CO 2 ´, CO 2 ´´i sumę CO 2

700

Zakładając, że walcownia produkuje 1000000 t/rok stali emisja CO 2 wyrażona w kg/rok wyniesie:

m CO

2  10 9  

m CO

2 Dla szybkości podgrzewania M=100 K/h:

m CO

2  0 , 1957  10 9  195700000

kg rok

 195700

t rok

Natomiast, zakładając szybkość podgrzewania M = 700 K/h, emisja CO 2 wyniesie:

m CO

2  0 , 1147  10 9  114700000

kg rok

 114700

t rok

Dla walcowni o wydajności 1 mln t/rok ograniczenie emisji CO 2 wyniesie 81 000 t/rok. Stanowić to będzie od 10 do ponad 30 mln zł rocznie w zależności od kosztu uprawnienia do emisji (30 do 100 euro za tonę). Wykonane obliczenia wskazują, że zmniejszając szybkość podgrzewania z 700-100 K/h lub zmniejszając wydajność pieca z 188 do 27 t/h emisja CO 2 wzrasta o ponad 70%.

Na podstawie wyników przeprowadzonych analiz i obliczeń można sprecyzować następujące wnioski:

 Szybkość procesu nagrzewania ma istotny wpływ na zużycie ciepła, stratę stali na zgorzelinę i emisję CO 2 .

 Wyniki emisji CO 2 jest bezpośrednio związana ze wskaźnikiem jednostkowego zużyciem ciepła i pośrednio ze stratą stali.

STWIERDZENIE I WNIOSKI KOŃCOWE

1. Wytwarzanie energii elektrycznej i cieplnej, procesy technologiczne oraz komunikacja wprowadza do środowiska bardzo dużą liczbę zanieczyszczeń szczególnie dwutlenku węgla.

2. Podstawową zasadą ochrony środowiska w Polsce jest w świetle uwarunkowań prawnych zapobieganie zanieczyszczeniom.

3. Podpisany przez Polskę w 2002r. tzw. Protokół z Kioto, nakłada obowiązek znacznego zredukowania emisji zanieczyszczeń dla zrównoważonego rozwoju energetycznego kraju.

4. Możliwość ograniczenia CO 2 ze spalania węgla kamiennego możemy osiągnąć poprzez: poprawę jakości węgla, modernizację urządzeń wytwórczych, modernizację, wymianę, bądź budowę urządzeń ochronnych.

STWIERDZENIE I WNIOSKI KOŃCOWE

5. Zaletą energii odnawialnej jest minimalny wpływ na środowisko naturalne.

6. Znaczne ograniczenie emisji CO 2 nośników energii.

możliwe jest poprzez zmianę struktury 7. Technologia CCS jest przyszłościową metodą składowanie CO 2 w strukturach geologicznych.

8. Zastosowanie energooszczędnych technologii produkcyjnych umożliwia ograniczenie emisji CO 2 .

9. Praca przemysłowych pieców grzewczych, przy dużej wydajności (szybkości podgrzewania), powoduje zmniejszenie emisji CO 2 do atmosfery.