ZGAZOWANIE WĘGLA

headban_slim.jpg
Polish (Poland)English (United Kingdom)
Home » O projekcie » Tematy Badawcze » Temat Badawczy 2
wtorek, 25 Lut 2020
Email Drukuj PDF

Obszar 2.2. Procesy naziemnego zgazowania węgla



Procesy zgazowania naziemnego stanowią główny obszar badawczy tego tematu. Głównym celem planowanych prac jest opracowanie technologii zgazowania węgla przy wykorzystaniu CO2 jako czynnika zgazowującego w reaktorze z cyrkulującym złożem fluidalnym (reaktor CFB – Circulating Fluidized Bed). Na ogół zgazowanie paliw stałych (węgli a także biomasy) w nowoczesnych rozwiązaniach technologicznych sprowadza się do wersji POX (Partial Oxydation) czyli kontrolowanego spalania tlenem (powietrzem) w atmosferze pary wodnej. W warunkach przemysłowych zupełnie niewykorzystaną szansą jest zgazowywanie przy pomocy CO2, który jest składnikiem gazów spalinowych a także w przyszłości gazem wydzielonym z różnych procesów z ostatecznym przeznaczeniem do składowania geologicznego. Proponuje się więc wariant przemysłowego wykorzystania reakcji Boudouarda, w wyniku której otrzymuje się tlenek węgla stanowiący obok wodoru podstawowy składnik gazu syntezowego. Z przeprowadzonych wstępnych obliczeń termodynamicznych wynika, że taka realizacji procesu pozwala na zwiększenie wydajności i poprawę ekonomiki produkcji gazu syntezowego m.in. w rezultacie obniżenia zużycia paliwa (węgla) oraz tlenu, a także, co niezwykle istotne, na obniżenie emisji CO2 do atmosfery będącej jedną z głównych przyczyn efektu cieplarnianego. Wyniki wstępnych obliczeń termodynamicznych zgazowania węgla - pierwiastka C, dla trzech temperatur procesu (800, 1000 i 1300 oC) odpowiadających reżimom pracy reaktorów fluidalnych i dyspersyjnych przedstawiono na rys. 1 i 2. Efektem wprowadzenia ditlenku węgla do reaktora zgazowania węgla jest wzrost stopnia przereagowania pierwiastka C, w porównaniu do klasycznego układu zgazowania bez doprowadzenia ditlenku węgla do układu reakcyjnego, i jednocześnie wzrost ilości tlenku węgla w gazie syntezowym. Doprowadzony do układu ditlenek wegla wykorzystywany jest również jako nośnik tlenu, co pozwala do 30 % zmniejszyć zużycie tlenu przypadające na jednostkę masy pierwiastka C zawartego w paliwie stałym, niezbędnego do przeprowadzenia reakcji zgazowania.


Istotnym elementem koncepcji technologii zgazowania węgla przy wykorzystaniu CO2 jest zastosowanie reaktora zgazowania z cyrkulującym złożem fluidalnym zapewniające korzystne warunki wymiany ciepła i masy oraz efektywny przebieg procesu. Przez recyrkulację częściowo przereagowanego, reaktywnego karbonizatu, usuniętego z gazu, w reaktorze zgazowania CFB wytwarzane są warunki dużej koncentracji fazy stałej (karbonizatu i węgla) oraz jej dobrego wymieszania z gazem. W reaktorze obecny jest reaktywny karbonizat (koksik), o dużej zawartości pierwiastka C, na powierzchni którego zachodzi reakcja redukcji ditlenku węgla wprowadzonego do reaktora do podstawowego składnika gazu syntezowego – tlenku węgla.

 

Taki sposób realizacji procesu zgazowania jest przedmiotem zgłoszeń patentowych dokonanych przez IChPW i Politechnikę Śląską w roku 2009.


Wybór rozwiązania technologicznego układu zgazowania oprócz przyczyn wymienionych powyżej wynika również z analizy stanu istniejącego oraz sygnalizowanych przez przemysł potrzeb w zakresie rozwoju technologii zgazowania. Technologia zgazowania fluidalnego z cyrkulującym złożem przy wysokich sprawnościach realizacji procesu charakteryzuje się niższymi temperaturami zgazowania (poniżej temperatury topnienia popiołu) niż w przypadku technologii dyspersyjnych i wysoką elastycznością paliwową. Wpływa to m.in. na obniżenie kosztów inwestycyjnych i eksploatacyjnych oraz dyspozycyjność i niezawodność procesu. Proponowane rozwiązanie może zwiększyć obszar zastosowań procesu o układy średnioskalowe (skala realizacji procesu 100-150 MW) dla zastosowań przemysłowych, co wpłynie na stymulację i rozwój rynku oraz wypełnienie obecnie istniejącej niszy technologicznej w zakresie technologii zgazowania węgla.

Ważnym aspektem wybranego kierunku jest również bogata wiedza i doświadczenie realizatorów tematu w zakresie procesów termochemicznej przeróbki węgla w układach fluidalnych w tym doświadczenia ICHPW w rozwoju i badaniach technologicznych atmosferycznego reaktora zgazowania/pirolizy z cyrkulującym złożem fluidalnym. Proces ten został zademonstrowany w skali 8 t/h węgla w układzie produkcji paliwa bezdymnego (badania współfinasowane przez Alfried Krupp von Bohlen und Halbach Foundation; IChPW 1986-1993). Zaproponowany obszar badań stanowi naturalną kontynuację kierunku rozwoju oryginalnej wiedzy technologicznej w zakresie zastosowań technologii zgazowania w reaktorze z cyrkulującym złożem fluidalnym w energetyce i chemii, rozwiniętego w IChPW w latach 90-tych XX wieku.

 

 

rys1

 

Rys. 1. Wpływ wykorzystania CO2 w procesie zgazowania paliw stałych na względny wzrost produkcji CO; (CO/C, CO2/C –ilości wytwarzanego CO i doprowadzonego do układu CO2 w odniesieniu do pierwiastka C zawartego w paliwie)

 

sys2

Rys. 2. Wpływ wykorzystania CO2 w procesie zgazowania paliw stałych na względny spadek zużycia tlenu; (O2/C, CO2/C – ilości zużycia tlenu i doprowadzonego do układu CO2 w odniesieniu do pierwiastka C zawartego w paliwie).


Opracowanie technologii zgazowania wymaga podjęcia kompleksowych prac, w tym dotyczących utylizacji produktów ubocznych procesu. Jest to konieczne zarówno z punktu widzenia ich negatywnego oddziaływania na środowisko jak również możliwości ich gospodarczego wykorzystania, korzystnie wpływających na efektywność ekonomiczną całego procesu.


Ten obszar badań podzielony został na kilka części, obejmujących pełny i usystematyzowany cykl prac od badań w skali laboratoryjnej (pozwalających na poznanie mechanizmów badanych procesów) poprzez badania półtechniczne (pozwalające na stworzenie podstaw procesowych opracowywanej technologii) do kompleksowych testów technologicznych w skali pilotowej, których wyniki stanowić będą podstawę do opracowania dokumentacji procesowych dla budowy krajowych instalacji demonstracyjnych.

Strona 6 z 20

Zadanie badawcze „Opracowanie technologii zgazowania węgla dla wysokoefektywnej produkcji paliw i energii elektrycznej” finansowane przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju w ramach strategicznego programu badań naukowych i prac rozwojowych pt.: „Zaawansowane technologie pozyskiwania energii”.

brlogo