Nr 5 - 6 (155-156) Maj - Czerwiec 2008 r.

ZGAZOWANIE WĘGLA
WODÓR NOŚNIKIEM ENERGII

Wzrost zainteresowania węglem kamiennym jako źródłem zapewnienia bezpieczeństwa energetycznego, nie tylko Polski, to ogólnoświatowa tendencja ostatnich lat. Wystarczalność światowych, udokumentowanych zasobów węgla, obliczana jest na około 200 lat.

Polskie zasoby węgla kamiennego wynoszą około 43,3 mld ton, natomiast węgla brunatnego – 13,7 mld ton. 39 % energii elektrycznej wytwarzanej na świecie produkowana jest w oparciu o węgiel. W Polsce udział ten wynosi aż 92 %. Tymczasem światowe zasoby ropy naftowej obliczane są na około 45 lat, a gazu ziemnego na około 60 lat. Polska jest największym producentem węgla kamiennego w Unii Europejskiej. Jej zasoby mogłyby przyczynić się do wzrostu poziomu bezpieczeństwa energetycznego Europy będącej trzecim światowym konsumentem węgla po Stanach Zjednoczonych i Chinach. 

Kolejnym atutem węgla są jego umiarkowane i względnie stabilne ceny. W Polsce, na przykład, w gospodarstwach domowych koszt 1 GJ z węgla kamiennego wynosi 16.89 zł, natomiast z gazu ziemnego – 43.19 zł, oleju opałowego –43.74 zł. W przemyśle ceny te kształtują się odpowiednio na poziomie: 6.1 zł, 23 zl, 33.08 zł. 

Wśród głównych celów stawianych współczesnej energetyce wymienić należy: poprawę sprawności działania elektrowni oraz poszukiwanie efektywnych metod wychwytywania CO2. Czyste technologie węglowe pozwalają na znaczące zmniejszenie negatywnego oddziaływania na środowisko naturalne procesów związanych z wykorzystaniem węgla w różnych dziedzinach gospodarki. Prace nad ich rozwojem i wdrożeniem prowadzą przede wszystkim takie kraje jak USA, Chiny, Australia, Japonia. Aktywnie uczestniczy w nich Unia Europejska, o czym świadczy między innymi powołanie Europejskiej Platformy Technologicznej, zajmującej się zero emisyjnym wytwarzaniem energii z paliw kopalnych. 

Stale rosnące ceny ropy naftowej i jej ograniczone zasoby oraz zaostrzenie wymagań prawnych dotyczących emisji gazów cieplarnianych zmusiły największe potęgi gospodarcze świata do poszukiwania nowego, taniego i przyjaznego środowisku nośnika energii – wyjaśnia dr Adam Smoliński, adiunkt w Zakładzie Oszczędności Energii i Ochrony Powietrza Głównego Instytutu Górnictwa w Katowicach. Specjaliści są zgodni, że w najbliższych kilkudziesięciu latach nośnikiem takim ma szansę stać się wodór. Obecnie wiele uwagi poświęca się opracowywaniu zintegrowanych technologii produkcji wodoru i energii elektrycznej, a w szczególności technologii produkcji wodoru z gazu syntezowego, otrzymanego w procesie zgazowania węgla, połączonego z separacją powstającego w procesie dwutlenku węgla. 

Podstawowe korzyści dla ekosystemu wynikające ze zagazowania węgla w porównywaniu ze spalaniem to przede wszystkim wyższa sprawność procesu przy jednoczesnej mniejszej emisji jednostkowej oraz możliwość oczyszczania mniejszej ilości gazu w porównaniu do ilości spalin. Zmniejszenie emisji na jednostkę energii w przypadku tlenków azotu wynosi ok. 33 %., dwutlenku siarki ok. 75% natomiast pyłu PM- ok. 50% 

Wśród technologii produkcji wodoru wymienia się: termochemiczny reforming węglowodorów parą wodną w wysokich temperaturach, częściowe utlenianie pozostałości ropy, reakcje koksu z parą wodną, elektrolizę wody oraz inne metody takie jak: reakcje pomiędzy metalami (np.: sód) i wodą, tlenkami (np.: V2O3) i wodą oraz wodorkami (np. CaH2) i wodą. Obecnie wodór wykorzystywany jest głównie do produkcji metanolu, amoniaku, mocznika, produktów procesu Fischer-Tropsch, syntetycznego gazu ziemnego (SNG), w przemyśle petrochemicznym i spożywczym. Wobec niewystarczającego aktualnego stopnia konkurencyjności technologii produkcji wodoru ze źródeł odnawialnych znaczenia nabierają metody produkcji wodoru z wykorzystaniem technologii konwencjonalnych i na bazie paliw kopalnych, w tym zgazowanie węgla połączone z separacją i sekwestracją dwutlenku węgla. Produkcja wodoru, z wydzieleniem dwutlenku węgla gotowego do sekwestracji, w procesie zgazowania węgla w złożu fluidalnym, z zastosowaniem sorbentu wapniowego, to perspektywiczne rozwiązanie technologiczne produkcji czystej energii z węgla. Badania w tym zakresie prowadzone są w skali laboratoryjnej między innymi w Głównym Instytucie Górnictwa. Połączona produkcja wodoru i energii elektrycznej oraz ogniwa paliwowe, jako najbardziej efektywne urządzenia do konwersji wodoru w energię elektryczną, stanowią podstawę tworzenia tzw. zrównoważonych systemów energetycznych w Europie. Budowa europejskiej gospodarki wodorowej stanowi przedmiot inicjatyw badawczych realizowanych w ramach Siódmego Programu Ramowego UE w obszarze Energia oraz Europejskiej Platformy Wodoru i Ogniw Paliwowych (HFP), wspierającej i koordynującej programy rozwoju i wdrażania kluczowych technologii na poziomie europejskim, krajowym i regionalnym [KE 2006]. 

W ramach inicjatywy Ministerstwa Gospodarki, Handlu i Przemysłu Japonii (METI) Clean Coal Cycle (C3) Initiative oraz w ramach działań badawczo – rozwojowych New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO) realizowane były i są między innymi: projekt wdrożeniowy technologii zgazowania węgla do produkcji gazu do zasilania ogniw paliwowych IGFC (Projekt EAGLE 1998-2006) oraz projekt mający na celu opracowanie narzędzi modelujących i symulacyjnych dla technologii zgazowania węgla w złożach fluidalnych – Development of Basic Technology for Advanced Coal Utilization Technology. W ramach projektu badawczego Hypr-RING (2000-2010) w dziedzinie technologii ochrony środowiska opracowywana jest natomiast technologia produkcji wodoru z węgla z usuwaniem gotowego do sekwestracji dwutlenku węgla (Hydrogen Production by Reaction Integrated Novel Gasification Process). Projekt znajduje się obecnie na etapie testów w instalacji półtechnicznej o wydajności 0,5 t węgla/d. [METI 2004, NEDO 2004]. 

W najprostszym układzie wodór z węgla produkowany jest obecnie na drodze zgazowania węgla parą wodną i tlenem do gazu syntezowego, o typowym procentowym składzie objętościowym: 25-30% wodoru, 30-60% tlenku węgla, 5-15% dwutlenku węgla, 2-30% pary wodnej i 0-5% metanu. 

Do najczęściej stosowanych obecnie na świecie metod zgazowania węgla [Gasification Technology Council, 2005] zalicza się: technologie Shell (20 instalacji), Texaco (16 instalacji), Lurgi (7 instalacji), E-gas (3 instalacje), przy czym wśród największych gazogeneratorów, instalacje z wykorzystaniem węgla jako surowca, pracują według technologii Lurgi , a jako metody zgazowania wykorzystywane w technologiach przyszłościowych produkcji wodoru z węgla wymienia się: Texaco i E-gas. 

Jako obszary priorytetowe prac badawczo – rozwojowych do roku 2015 w zakresie technologii produkcji wodoru z węgla wymienia się: zaawansowane systemy konwersji gazów parą wodną, zawansowane systemy separacji membranowej wodoru, zaawansowane systemy separacji CO2, systemy doczyszczania wodoru, zaawansowane systemy z zastosowaniem adsorbentów i rozpuszczalników, koncepcje zaawansowane (wysokowydajne procesy oczyszczania gazu, konwersji parą wodną, separacji wodoru, chemical looping ). 

Na uwagę wydaje się zasługiwać rozwiązanie, którego podstawy odnaleźć można, m. in. w pracach badaczy amerykańskich lat siedemdziesiątych XX wieku rozwijane obecnie między innymi przez naukowców japońskich i europejskich, a polegające na prowadzeniu procesu zgazowania węgla w złożu fluidalnym w obecności tlenku wapnia, pracującego jako absorbent dwutlenku węgla, o potwierdzonych jednocześnie własnościach katalitycznych w rozpatrywanym procesie. Produkcja wodoru jest bardziej wydajna niż w przypadku zgazowania realizowanego w układzie konwencjonalnym. Produkty gazowe reakcji kierowane są do separatora i wymiennika ciepła. Pozostały po procesie karbonizacji CaCO3 oraz nieprzereagowany węgiel kierowane są do drugiego reaktora, w którym następuje regeneracja CaO i wydzielanie gotowego do sekwestracji strumienia CO2. 

Omówione technologie to przyszłość przemysłu węglowego i nie tylko, powalające na stosowanie w praktyce zasad czystej produkcji – konkluduje dr Adam Smoliński. Jednocześnie wskazuje się na brak instalacji przemysłowych do zintegrowanej produkcji wodoru i energii elektrycznej z węgla, z połączoną sekwestracją dwutlenku węgla. Obecnie dostępne są jedynie komputerowe symulacje techniczno – ekonomiczne tego typu układów konstruowane w oparciu zarówno o technologie dostępne jak i zaawansowane, niebędące w powszechnym użyciu. Z uwagi na wymagania dotyczące czystości wodoru do zastosowań w ogniwach paliwowych, jak i wymagania w zakresie redukcji emisji dwutlenku węgla, ważnym aspektem produkcji energii elektrycznej i wodoru z paliw stałych są również metody separacji wodoru i dwutlenku węgla z wysokotemperaturowych mieszanin gazowych. Wśród stosowanych obecnie metod separacyjnych wymienia się: absorpcję chemiczną i fizyczną, frakcjonowanie kriogeniczne, metody adsorpcyjne oraz separację membranową. 

Na rys. przedstawiono stanowisko badawcze, schemat oraz zdjęcie instalacji laboratoryjnej do badań nad zgazowaniem węgla do gazu bogatego w wodór. Na schemacie (1) oznacza wloty, zawory i regulatory przepływu gazu nośnego i /lub gazów reakcyjnych. Czynnikiem zgazowującym w badanym procesie jest para wodna, wytwarzana w wytwornicy pary (2), do której woda dostarczana jest przy pomocy pompy (3) (patrz Rys.2). Para wodna wraz z gazem nośnym doprowadzana jest do reaktora (5) umieszczonego wewnątrz pieca oporowego (4) sterowanego komputerowo (11). Do wnętrza reaktora wprowadzona jest termopara (6), co zapewnia kontrolę temperatury wewnątrz reaktora. Ciśnienie panujące wewnątrz reaktora jest kontrolowane za pośrednictwem ciśnieniomierza umieszczonego na wylocie z reaktora (7) oraz regulatora ciśnienia (8). Powstający w procesie gaz zostaje osuszony w tzw. „pułapce wodnej” (9). Ilość powstającego gazu podczas procesu mierzona jest za pomocą przepływomierza (10), natomiast skład gazów wylotowych jest analizowany „on-line” przy użyciu przenośnego mikrochromatografu gazowego (12).

Laboratoryjna instalacja do zgazowania węgla w reaktorze ze złożem stałym.

opracowała Mira Borkiewicz Kolumna dofinansowana ze środków Wojewódzkiego Funduszu Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej w Katowicach