Ekonomiczno-techniczne aspekty wykorzystania gazu w energetyce

Janusz Kotowicz

Wydział Inżynierii i Ochrony ŚrodowiskaPolitechnika Częstochowska

Podstawy generowania gazu z węgla

Janusz Kotowicz

W14

Wydział Inżynierii i Ochrony ŚrodowiskaPolitechnika Częstochowska

3

IGCC

IGCC

1. Wprowadzenie2. Proces IGCC3. Podstawy teoretyczne procesu zgazowania4. Generatory gazu syntezowego5. Podsumowanie technologii generowania

gazu

4

1. Wprowadzenie

IGCC

Ropa naftowa; 42Gaz ziemny; 63

Węgiel kamienny; 168

Węgiel brunatny; 227

0

50

100

150

200

250

LATA

Wyczerpywanie się zasobów paliw kopalnych (IEA).

5

1. Wprowadzenie

TECHNOLOGIA IGCC

WĘGIEL GAZ ROPA

$/GJ

0,0

1,0

1970

6,0

5,0

4,0

3,0

2,0

1975 1980 1985 1990 1995 2000

Stabilność cenowa węgla na tle innych surowców energetycznych (IEA).

6

1. Wprowadzenie

TECHNOLOGIA IGCC

Ze światowych prognoz wynika, że węgiel pozostanie podstawowym paliwem energetycznym, a produkcja

energii elektrycznej na jego bazie będzie nadal wzrastać (IEA).

Węg

iel

Rop

a

Gaz

En.

jądr

owa

En.

wod

na

inne

OŹE

02000400060008000

100001200014000

TWh

2002

2020

2030

7

TECHNOLOGIA IGCC

IGCC (Integrated Gasification Combined Cycle)

8

2. Proces IGCC

TECHNOLOGIA IGCC

SPALINY

CHŁODZENIE GAZUODZYSK CIEPŁA

ZGAZOWANIEGENERATOR GAZU

OCZYSZCZANIE GAZU

TLENOWNIAASU

KOCIOŁODZYSKOWY

1

2

2

1

TURBINAPAROWA

G

ZESPÓŁTURBINY GAZOWEJ

POWIETRZE

WĘGIEL

SIARKA

AZOT

TLEN

G

Nel TG

Nel TP

ŻUŻEL

PRZYGOTOWANIEPALIWA

9

3. Podstawy teoretyczneprocesu zgazowania

TECHNOLOGIA IGCC

Zgazowanie węgla jest procesem technologicznym mającym na celu konwersję stałej substancji organicznej do gazu. Proces ten prowadzi się w generatorach gazu, w

których węgiel jako substancja zgazowywana poddawany jest chemicznej obróbce w obecności wysokiej temperatury i czynników zgazowujących, którymi mogą być

powietrze, tlen, para wodna, dwutlenek węgla, wodór. Podczas procesu zgazowania zachodzą reakcje chemiczne, które można podzielić na pierwotne (między substancjązgazowywaną a gazami) i wtórne (pomiędzy wytworzonymi gazami). W zależności od

efektu cieplnego reakcje zachodzące w procesie zgazowania można podzielić na egzotermiczne i endotermiczne.

kmolMJCOOC /1,12321

2 +→+

kmolMJCOOC /7,40422 +→+

kmolMJCOCOC /9,15922 −→+

kmolMJHCOOHC /5,11822 −+→+

kmolMJCHHC /5,872 42 +→+

kmolMJCOHOHCO /9,40222 ++→+

kmolMJOHCHHCO /9,2053 242 ++→+

kmolMJOHCHHCO /17924 2422 ++→+

10

3. Podstawy teoretyczne procesu zgazowania

TECHNOLOGIA IGCC

TEMPERATURA

CIŚNIENIE

Węgiel

H2O

Popiół

Karbonizat

H2,CO,CO2,CH4

+zanieczyszczenia

Istnieje możliwość pokrycia zapotrzebowania energii poprzez reakcje egzotermiczne zachodzące w reaktorze równocześnie z reakcjami

endotermicznymi lub poprzez doprowadzenie energii z zewnątrz. W związku z tym rozróżnia się dwa rodzaje procesów

TEMPERATURA

CIŚNIENIE

Węgiel

H2O

Powietrze

Popiół

CIEPŁO

Karbonizat

H2,CO,CO2,CH4,(N2)

+zanieczyszczenia

O2 lub

Proces autotermicznego, ciśnieniowego zgazowania węgla parą wodną

Proces allotermicznego, ciśnieniowego zgazowania węgla parą wodną

11

3. Podstawy teoretyczne procesu zgazowania

TECHNOLOGIA IGCC

( )( )

( )( )wsw

gsgz

wdw

gdgz QB

QBlub

WBWB

&&

&&

&

&=η=η

( )[ ]( ) ∑+

++=η

mgiiwdw

pggdgzg hmWB

QhWB&

&&

STOPIEŃ KONWERSJI

PEŁNA SPRAWNOŚĆ

12

4. GENERATORY GAZU

TECHNOLOGIA IGCC

PODZIAŁ GENERATORÓW

Ze względu na rodzaj kontaktu węgla z medium zgazowującym

1. Generatory ze złożem stałym (moving-bed also call fixe-bed gasifiers); 2. Generatory ze złożem fluidalnym (fluidized-bed gasifiers);3. Generatory strumieniowe (entrained flow gasifiers).

Ze względu na czynnik zgazowujący

1. Zgazowanie częściowe (powietrzne);2. Zgazowanie całkowite (tlenowe).

Ze względu na sposób odprowadzania żużla1. Generatory z odprowadzeniem żużla w stanie stałym; 2. Generatory z odprowadzeniem żużla w stanie ciekłym.

13

4. GENERATORY GAZUzłoże stałe, złoże fluidalne, reaktor strumieniowy

TECHNOLOGIA IGCC

H2O+O2 H2O+O2

ŻUŻEL

POPIÓŁ

H2O+O2H2O+O2

POPIÓŁ

WĘGIEL(1-6 mm)

WĘGIEL(0,1-0,5mm)

WĘGIEL(0,1-0,5mm)

GAZ

GAZ

GAZWĘGIEL(3-50 mm)

REAKTOR STRUMIENIOWY

ZŁOŻE STAŁE ZŁOŻE FLUIDALNE

14

4.1 Generatory ze złożem stałym(Moving-bed or fixed-bed gasifiers)

TECHNOLOGIA IGCC

Para,Powietrzelub Tlen

Popiół

GAZ

WĘGIEL

Para,Powietrzelub Tlen

Popiół

WĘGIEL

GAZ

TEMPERATURA

Rozkład temperatury wzdłuż wysokości generatora gazu ze złożem stałym

1. Lurgi Dry Ash

2. BGL

15

4.1 Generatory ze złożem stałym

TECHNOLOGIA IGCC

WEGIEL

ŚLUZAPOPIOŁU

PŁASZCZWODNY

ŚLUZA WĘGLA

POPIÓŁ

H2O (para) WODA

H2O(para)+O2

CHODNICANATRYSKOWA

GAZZGAZOWANIE

ODGAZOWANIE

SUSZENIE

ROZDZIELACZ

NAPĘDRPZDZIELACZA

NAPĘDRUSZTU

SPALANIE

RUSZT

Lurgi Dry Ash WĘGIEL

MIESZALNIKCHŁODNICAGAZU

WYLOT GAZU

H2O (para) + O2

ŚLUZA WĘGLA

WODA CHŁODZĄCAŻUŻEL

DYSZA

KOMORA ŻUŻLOWA

ŚLUZA ŻUŻLOWA

KRÓCIECWYLOTOWY

GAZU

ŻUŻEL

PŁASZCZWODNY

ZBIORNIKCIŚNIENIOWY

BGL

16

4.1 Generatory ze złożem stałym

TECHNOLOGIA IGCC

LURGI 98,5

BGL 99,7

90

92,5

95

97,5

100

[%]

Stopień konwersji węgla w reaktorach ze złożem stałym

17

4.2 Generatory ze złożem fluidalnym(Fluidized-bed gasifiers)

TECHNOLOGIA IGCC

Rozkład temperatury wzdłuż wysokości generatora gazu ze złożem fluidalnym

1. HTW (High Temperature Winkler)

2. KRW (Kellog Rust Westinghouse)

Popiół

GAZ

WĘGIEL

Para,Powietrzelub Tlen

Para,Powietrzelub Tlen

WĘGIEL

Popiół

GAZ

TEMPERATURA

18

4.2 Generatory ze złożem fluidalnym

TECHNOLOGIA IGCC

WĘGIEL

SCHŁODNICASUROWEGO GAZU

WYLOT GAZU

PODAJNIK

ŚLIMAK

H2O (para) + O2 lubpowietrze

Instalacjadozowania

węgla

ZBIORNIKCIŚNIENIOWY

CYKLON

Karbonizat i popiół

ZŁOŻE FLUIDALNE

Śluzawęglowa

KRWWYLOT GAZU

H2O (para)

H2O (para)

Węgiel + Wapień

PopiółO2 (pow.)

Recylkulacjagazu

Recylkulacjagazu

Recylkulacjagazu

Recylkulacjacząstek stałych

HTW KRW

19

4.2 Generatory ze złożem fluidalnym

TECHNOLOGIA IGCC

HTW 93,5

KRW 96,5

90

92,5

95

97,5

100

[%]

Stopień konwersji w generatorach ze złożem fluidalnym

20

4.3 Generatory przepływowe(Entrained flow gasifiers)

TECHNOLOGIA IGCC

1. GE (Chevron Texaco)

2. Shell (SCGP-Shell Coal Gasificaton Process)

3. E-gas (Conoco Phillips, DOW)

4. Prenflow

5. GSP/Noel (Siemens)

Żużel

GAZ

WĘGIELPara,

Powietrzelub Tlen

Para,Powietrzelub Tlen

WĘGIEL

ŻużelGAZ

TEMPERATURA

21

4.3 Generatory przepływoweGE (TEXACO)

TECHNOLOGIA IGCC

WYMIENNIK CIEPŁA

GAZ

GAZ

PARAHP

ŻUŻEL

WODA

Szlam węglowo-wodny O2 z ASU

GAZ

ŻUŻEL

CHŁODZENIE

IZOLACJA

O2 z ASU

Szlamwęglowo-wodny

GENERATOR

QUENCH

BOILER

22

4.3 Generatory przepływowe

TECHNOLOGIA IGCC

Węgiel + Para + O2

GAZ

H2O

PARA

PAROWNIK

Żużel

GAZ

ŻUŻEL

PYŁ WĘGLOWYlub SZLAM

O2 z ASUWODNE CHŁODZENIE

ŻUŻLA

KOKSIK

I sopień

II sopień

II

I

SHELL (SCGP) E-gas

23

4.3 Generatory przepływowe

TECHNOLOGIA IGCC

NAWRÓTGAZU

PRZEGRZEWACZ II

PAROWNIKI

PAROWNIK

PAROWNIKI I

EKONOMIZER

PRZEGRZEWACZ I

NAWRÓTGAZU

ŻUŻEL

ZAPYLONY GAZ

WYLOT GAZU

WĘGIEL,KOKS + N2

para + O2

Chłodzenie

para + O2

filtry odpylony gaz

śluzapopiołu

podajnikpopiołu

CYKLON

zasobnikpopiołulotnego

POPIÓŁ LOTNY

GAZ GAZ

PRENFLOW

24

4.3 Generatory przepływowe

TECHNOLOGIA IGCC

PYŁ WĘGLOWY PARA + O2

a.) b.)

WODA CHŁODZĄCA

PYŁ WĘGLOWY PARA + O2PARA + O2

PALNIK

GAZGAZ

PŁASZ WODNY

PŁASZ WODNY

WODA KOTŁOWA

WODA GASZĄCA

EKRAN

PARA

ŻUŻEL ŻUŻEL

ŚCIEKI

NOELL

25

4.3 Generatory przepływowe

TECHNOLOGIA IGCC

GE 99PRENFLOW 99,7 SHELL 99,7 NOELL 99,5 E-GAS 99,3

90

92,5

95

97,5

100

[%]

Stopień konwersji w generatorach przepływowych

26

5. Podsumowanie technologii generowania gazu

TECHNOLOGIA IGCC

[MWt]

10 000

20 000

80 000

70 000

60 000

50 000

40 000

30 000

PLANOW ANA

OBECNA

0

1970 20102005200019951990198519801975

Światowa produkcja gazu syntezowego

27

5. Podsumowanie technologii generowania gazu

TECHNOLOGIA IGCC

Obecnie (2004 rok) na świecie (w 24 krajach) działa 117 instalacji opartych na zgazowaniu, które wyposażone są w 385 generatorów gazu (różnej konstrukcji) o mocy cieplnej wynoszącej 45 001

MWt. W trakcie budowy lub projektowania znajduje się 27 obiektów z 66 generatorami.

PLANOWANA

OBECNA

10 000

20 000

5 000

15 000

[MWt]

25 000

30 000

0

PALIWA PŁYNNE INNEPALIWA GAZOWECHEMIA ENERGETYKA

Główne kierunki wykorzystania technologii zgazowania

28

5. Podsumowanie technologii generowania gazu

TECHNOLOGIA IGCC

PLANOWANA

OBECNA

10 000

20 000

5 000

15 000

35 000

25 000

30 000

0

SHELL E-GASINNELURGI GE

[MWt]

LURGI41%

GE34%

SHELL19%

INNE6%

Zastosowanie różnych typów reaktorów

Produkcja gazu syntezowego dla wybranych technologii zgazowania