Z E S Z Y T Y N A U K O W E P O L IT E C H N IK I ŚL Ą S K IE J Seria: O R G A N IZ A C JA I Z A R Z Ą D Z A N IE z. 79
2015 N r kol. 1930
A ndrzej N O W R O T , S ergiusz BO R O Ń P o litechnika Śląska
K atedra E lektryfikacji i A utom atyzacji G órnictw a an d rzej.now rot@ polsl.pl; sergiusz.boron@ polsl.pl
N A J N O W S Z E O S I Ą G N I Ę C I A N A P Ł A S Z C Z Y Ź N I E F I Z Y K I I C H E M I I
O R A Z I N Ż Y N I E R I I M A T E R I A Ł O W E J W A S P E K C I E W Z R O S T U
W Y D A J N O Ś C I P R O C E S Ó W P R Z E R Ó B C Z Y C H N A S T Y K U
P R Z E M Y S Ł Ó W W Ę G L O W E G O I E N E R G E T Y C Z N E G O
S treszczen ie. R ozw ój inżynierii m ateriałow ej oraz n ajnow sze w yniki badań stosow anych w zak resie fizyki i chem ii ciała stałego um o żliw iły opracow anie now ych m etod kontroli ja k o śc i i p rzetw arzania paliw stałych. W skali laboratoryjnej pow stały zaaw ansow ane m etody w y tw arzania energii elektrycznej z w ęgla z p om inięciem przetw arzania na energię ciep ln ą i m echaniczną. O gół tych procesów um o żliw ia w zrost spraw ności energetycznej w y tw arzania energii elektrycznej. Je st to szczególnie istotne zagadnienie z p u nktu w id zen ia krajów , w któ ry ch energetyka opiera się na w ęglu kam iennym lub brunatnym .
S łow a k luczow e: energetyka, ogniw a p aliw ow e, górnictw o
THE NEW TECHNOLOGY METHODS IN PHYSICAL CHEMISTRY AND MATERIALS SCIENCE OF HIGHER PERFORMANCE OF PROCESSING TECHNIQUES IN THE COAL INDUSTRY AND ENERGY
S um m ary. T he n ew developm ents in m aterials science and latest results o f research in th e field o f applied physics an d solid state chem istry, enabled the new m ethods for quality and processing control o f solid fuels. T here are m any novel advanced m ethods o f p ro d u cin g electricity from coal based on fuel cell, there is no n ecessary chem ical to therm al and m echanical en e rg y converting. G enerally, these p rocesses allow s an increase o f energy efficiency electricity generation process. T his is p articu larly im portant in th e countries w ith th e energy o f coal based.
K eyw ords: energy industry, fuel cells, m ining
1 . W s t ę p
Ilość w ytw arzanej energii elektrycznej z jed n o stk i m asy w ęgla kam iennego lub brunatnego zależy głów nie o d w artości energetycznej tego paliw a oraz spraw ności energetycznej procesu zam iany energii chem icznej na elektryczną.
P ierw szy z czynników zw iązany je s t z ja k o ścią w ęgla, która zależy od zaw artości części niepalnych, czyli popiołu. N ależy tutaj w yjaśnić po jęcie popiołu, gdyż poto czn e znaczenie tego słow a nie odzw ierciedla w p raw idłow y sposób zachodzących zjaw isk. P opiół m ożna zdefiniow ać ja k o składnik w ęgla (w ęgla rozum ianego ja k o paliw o stałe w p ostaci kruszyw a), k tóry nie u legnie spaleniu i nie w nosi w kładu do w artości energetycznej - co przedstaw ia w dobrym przybliżeniu rów nanie (1).
mw -m c +mp, (1)
gdzie:
m w - m asa w ęgla ja k o p aliw a w postaci kruszyw a, m c - m asa p alnych zw iązków w ęgla,
m p - m asa popiołu.
Przykładow o, je ż e li gospodarstw o dom ow e dla po trzeb opałow ych zaku p u je 1000 kg w ęg la kam iennego, to w kruszyw ie tym m oże się znajd o w ać 150 kg skał niep aln y ch oraz 850 kg palnych zw iązków chem icznych w ęgla. P o spaleniu 1000 k g w ęg la w piecu pow inno pozostać (w n ajlepszym w ypadku), d la tego konkretnego przy k ład u m inim um 150 k g popiołu.
P opiół znajduje się w ięc w w ęglu w sposób n aturalny je sz c z e p rzed je g o spaleniem . Jego zaw artość zależy m .in. od przebiegu procesu przeróbki oraz od tego, z ja k ic h i gdzie zlokalizow anych p o kładów został w ydobyty w ęgiel. P om iar zaw artości p o p io łu w w ęglu p o zw ala oszacow ać w artość energetyczną paliw a, a tym sam ym d eterm inuje je g o cenę.
N ow oczesna m etoda p om iaru zaw artości popiołu bazuje n a po m iarze w idm a i siły (liczby zliczeń kw antów ) p rom ieniow ania gam m a, które je s t skutkiem zaw artości w skałach niepalnych śladow ych (lecz w ystarczających) ilości p ierw iastków radioaktyw nych (pierw iastki szeregu prom ieniotw órczego, m .in. uranu i toru). U rządzenie realizujące takie pom iary, o n azw ie handlow ej „W alk er - p rzenośny pop io ło m ierz” , je s t od kilk u lat p rodukow ane przez firm ę C T T EM A G w K atow icach [10], Jakość w ęg la m oże zostać p opraw iana dzięki zastosow aniu dodatkow o (poza standardow ym p ro cesem flotacji) now ych technologii w ykorzystujących ultradźw ięki oraz m ikrofale [8]. U ltradźw ięki o w ysokim n atężeniu p o w odują po w staw an ie w cieczach zjaw iska kaw itacji, które p o leg a na cyklicznym p ow staw aniu i zap ad an iu się w w yniku działan ia fali m echanicznej pęcherzyków kaw itacyjnych w ypełnionych p aram i otaczającej cieczy o ciśnieniu rzędu 1000 barów i tem peraturze 6000 K [7], T w o rzy to w arunki znacznie p rzyspieszające reak cje chem iczne.
P o d obny w p ły w na szybkość reakcji m a d ziałanie m ikrofal.
Największe osiągnięcia na płaszczyźnie fizyki i chemii. 229
K olejnym p aram etrem zw iązanym z w artością energetyczną p aliw stałych je s t zaw artość w nich w ody. W o d a p o w oduje zw iększenie ciężaru p aliw a np. w ęg la zn ajdującego się w danej objętości, a p odczas spalania w ęg la (kruszyw a) z u kładu zostaje p o b ran a energia niezbędna do podg rzan ia zaw artej w o d y do tem peratury w rzenia, energii przejścia fazow ego ciecz-para (gaz) oraz energii podg rzan ia p a ry w odnej zaw artej w spalinach. O gół tych procesów pow oduje o b niżenie w artości opałow ej tego paliw a. B adania nad now oczesnym i m etodam i po m iaru zaw artości w ody (w fazie ciekłej lub gazow ej) są nieu stan n ie prow adzone [4] i w najbliższym czasie n ależy się spodziew ać now ych rozw iązań w ty m obszarze.
2. Sprawność procesów wytwarzania energii elektrycznej
K olejnym istotnym czynnikiem d ecydującym o ilości w ytw arzanej energii elektrycznej z je d n o stk i m asy p aliw a (np. w ęgla) je s t spraw ność en ergetyczna p ro cesu za m ia n y energii chem icznej na elektryczną. P roces ten odbyw a się dotychczas w elektrow niach cieplnych, a je g o przeb ieg je s t p o w szechnie zn a n y i sto so w an y od p onad 100 lat (zam iana energii chem icznej w cieplną, następnie w m echaniczną oraz finalnie w elektryczną) [11], N a przestrzeni lat ulegał on ulepszeniom , co d oprow adziło do kilkunastoprocentow ego w zrostu spraw ności energetycznej (w skali przem ysłow ej je s t to ogrom na zm iana). O rientacyjnie m o żn a przyjąć, że spraw ność netto w spółczesnej elektrow ni cieplnej w ynosi p o n ad 35% . W artość ta je s t zbliżona zarów no dla elektrow ni w ęglow ych, ja k i jąd ro w y ch , z tym że w tym drugim p rzypadku ja k o je d e n z etapów następuje zam iana energii ją d ro w e j n a cieplną, a n ie chem icznej na cieplną. U zy sk iw an a spraw ność energ ety czn a w du ży m stopniu w ynika z ograniczeń teoretycznych z p u n k tu w idzenia term odynam iki. W drożenie kolejnych uspraw nień w zakresie np. konstrukcji turbin m oże zw iększyć tę w artość rzędu ułam ka procenta lub co najw yżej kilk u procent. N a pod staw ie dotychczasow ej te chnologii nie je s t m ożliw e nato m iast u zy skanie dw ukrotnego w zro stu spraw ności netto.
W zw iązku z dokonanym w ciągu ostatnich kilkunastu lat intensyw nym po stęp em na polu inżynierii m ateriałow ej oraz fizyki i chem ii ciała stałego zo stały o pracow ane now e m etody konw ersji energii chem icznej w elektryczną o p ierający się na o gniw ach paliw ow ych.
3. Technologia ogniw paliwowych
P ierw sze o gniw a paliw o w e p o w stały w X IX w ieku. T echnologia ta po znacznym uspraw nieniu była w y korzystyw ana począw szy od lat 50. X X w iek u p rzez N A SA w p rogram ach G em ini oraz A pollo [12]. Z d ecydow any w zro st zainteresow ania ogniw am i paliw ow ym i nastąpił dopiero w ciągu ostatnich k ilkunastu lat, co je s t zw iązane ze
zd ecy d o w an y m o bniżeniem ko sztó w ich w y tw arzan ia i w zro stem sp raw n o ści energetycznej.
O b ecn e o gniw a p aliw o w e cech u ją się sp raw n o ścią przek raczającą 80% (o g n iw a w odorow e).
D zięki tem u stały się one niezw y k le atrakcyjne dla przem y słu i transportu. N a rys. 1 przed staw io n o zesp ó ł ogniw paliw o w y ch typu P E M F C zasilan y ch w o d o re m (elektrolit stanow i sp olim eryzow any fluorkow y kw as sulfo n o w y w p ostaci m em brany). U kład ten o łącznej m ocy 100 kW i całkow itej m asie 1650 kg [6] zo stał zastosow any do zasilania silników elektrycznych w szynobusie o pracow anym p rzez R ailw ay T echnical R esearch Institute, T okio, Japan.
Rys. 1. Zespół ogniw paliwowych wraz z oprzyrządowaniem o łącznej mocy 100 kW dla potrzeb zasilania szynobusu
Fig. 1. Exterior o f 100 kW class PEMFC system for railway vehicle Źródło: Zdjęcie na podstawie pracy [6].
O gniw a paliw o w e u m o żliw iają elektrochem iczne spalanie (utlenianie) paliw a d o p row adzonego w sposób c iąg ły do elek tro d y ujem nej w tlen ie (pochodzącym np. z p ow ietrza) dopro w ad zo n y m w sposób ciągły do dodatniej elektrody [13], W tego typu ogn iw ach po d staw o w y m p aliw em je s t w odór. W k olejnych etapach p o w sta ły o g n iw a zasilane w ęglow odoram i. N iezw y k le cennym o siągnięciem o statnich k ilkunastu lat są ogniw a D C -S O F C (direct carbon so lid oxide fuel cell), w których paliw em je s t w ęgiel [9, 2, 1].
W ogniw ach D C -S O F C zachodzi reak cja elektrochem icznego u tlen ien ia w ęg la do dw utlenku w ęg la (2) oraz reakcje (3) i (4) [5, 3],
C + 20 2~ —» C 02 + 4e~ (2)
C + C O , —^ 2 C O (3)
C O + O 2' -> C 0 2 +2e~ (4)
P ow yższe rów n an ia pozw alają n a „o b ieg ” gazów , w któ ry m głów nym , u w alnianym do a tm o sfery g az em je s t dw u tlen ek w ęgla. T le n ek w ęg la, o ile zostanie w y d zie lo n y z układu, m u si zo stać u tle n io n y do dw utlen k u w ęg la z a p o m o c ą k olejnego o gniw a paliw rnvego, dedykow 'anego dla CO.
Największe osiągnięcia na płaszczyźnie fizyki i chemii. 231
W odróżnieniu od elektrow ni cieplnych, w elektrow niach opartych na ogniw ach paliw ow ych, zam iana energii chem icznej na elektryczną następuje bezpośrednio, z p om inięciem energii cieplnej i m echanicznej. O gniw a p aliw ow e m ogą zostać zlokalizow ane n a terenie zakładów górniczych b ez potrzeb y tran sp o rtu w ęg la n a duże odległości. N a rys. 2 p rzedstaw iono schem at ideow y elektrow ni opartej na ogniw ach paliw ow ych zasilanych w ęglem . W odróżnieniu od ogniw zasilanych w odorem lub alkoholam i, które pracują w tem peraturze pokojow ej, ogniw a D C -S O F C do popraw nej p rac y w ym agają tem peratury w zak resie 600-850°C . W ęgiel, k tó ry je s t paliw em m usi zo stać odpow iednio spreparow any p rze d w p row adzeniem do ogniw a - w ym agana je s t odpow iednia czystość i granulacja na po zio m ie 1 - 2 00 p m [2],
PR Z E T W O R N IC E , FALOW NIKI
I I T RANSFO RM ATORY J rift
Rys. 2. Schemat ideowy elektrowni opartej na ogniwach paliwowych zasilanych węglem (DC-SOFC) i zintegrowanej z kopalnią
Fig. 2. Exterior idea schematic o f a power plant based on carbon fuel cell (DC-SOFC), integrated with the mining plant
Źródło: Opracowanie własne.
P rzekrój p o p rzeczn y w ęglow ego ogniw a paliw o w eg o p rzedstaw iono na zdjęciu - rys. 3 w ykonanym skaningow ym m ikroskopem elektronow ym (SE M ) w ram ach p rac y [9].
W ym iary elektrod są rzęd u kilk u n astu m ikrom etrów , n ato m iast w arstw a elektrolitu je s t m niejsza od 200 pm . N ap ię cie elektryczne, ja k ie pow staje w tego typu ogniw ach paliw ow ych je s t rzędu 1,1 V (bez obciążenia), a m ak sy m aln a m oc n a je d n o stk ę p o w ierzchni ogniw a (przeciw ległych elektrod) 300 - 350 m W /cm 2. S truktury typu S O FC należą do je d y n y ch , w których w ystępuje tran sp o rt anionów tlenow ych p rze z elektrolit.
W p ow stających aplikacjach p rzem ysłow ych stosuje się łączenie szeregow e w ielu ogniw paliw ow ych, aby uzy sk ać w yższe napięcie. W dalszym etapie stały prąd elektryczny w y tw orzony w „sto sie” ogniw je s t przetw arzan y na p rąd zm ien n y i transform ow any, celem w prow adzenia do sieci elektroenergetycznej.
Rys. 3. Zdjęcie przekroju poprzecznego przez ogniwo paliwowe DC-SOFC wykonane mikroskopem elektronowym SEM. Na zdjęciu uwidoczniono anodę, warstwę elektrolitu oraz katodę Fig. 3. SEM micrographs o f cross section o f the single carbon fuel celi (DC-SOFC)
Źródło: Zdjęcie na podstawie pracy [9].
4. Skutki społeczne i gospodarcze zastosowania nowej technologii
N iez w y k le w ażnym aspektem w drożenia now ej generacji w ęglow ych og n iw paliw ow ych są skutki społeczne i gospodarcze. N eg aty w n y m skutkiem społecznym będzie zn aczn a redukcja liczby m iejsc pracy w sektorach w y dobyw czym i energetycznym . W y ższa sp raw n o ść en ergetyczna now ej generacji elektrow ni w ym usi w y raźn ie m n iejsze zap o trzeb o w an ie na paliw o , ja k im je s t w ęg iel (pom im o w ystęp o w an ia d ługookresow ego, system aty czn eg o w zro stu zap o trzeb o w an ia n a energię). P onadto, b ez p o śred n ia k o n w ersja energii chem icznej na elek try czn ą zn a cz n ie u prości stru k tu rę elek tro w n i i w dużo w ięk szy m sto p n iu będ ą w niej w ystęp o w ały elem en ty „b ezo b słu g o w e” . W skali globalnej p o zy ty w n y m sk u tk iem ek onom icznym będ ą n iższe k o szty energii elektrycznej. Je że li w drożenie pierw szy ch w ęg lo w y ch elektrow ni paliw o w y ch n astąpi w persp ek ty w ie najbliższych 15-20 lat, to niezb ęd n e stanie się pod jęcie z dużym w y p rzed zen iem działań zaradczych, m inim alizujących spodziew ane n eg aty w n e skutki społeczne.
5. Podsum owanie
W sp ó łcześn ie stosow ane m e to d y w y tw arza n ia energii elektrycznej na sk alę p rzem ysłow ą w dom in u jący m stopniu b az u ją na elek tro w n iach cieplnych (w ęglow ych lub ją d ro w y c h ), zapew n iając spraw ność en ergetyczną na po zio m ie nieco p o n ad 35% . O gniw a p aliw o w e za silan e w ęglem stanow ią n o w ą technologię, p rzetesto w an ą w zn acznym stopniu w w aru n k ach laboratoryjnych. B iorąc p o d uw ag ę w ysokie tem po, w ja k im o g n iw a w o d o ro w e i w ęg lo w o d o ro w e zn a jd u ją co raz szersze zasto so w an ie (sam ochody, elek try czn e zesp o ły
Największe osiągnięcia na płaszczyźnie fizyki i chemii. 233
trakcyjne, aparaty te lefonii kom órkow ej), należy się spodziew ać, że w perspektyw ie najbliższych kilkunastu lat rów nie d u ży sukces odniosą ogniw a zasilane w ęglem . O becnie p row adzone badania naukow e w zakresie D C -S O F C k o ncentrują się na obniżeniu tem peratury pracy tych ogniw oraz na dalszym obniżeniem kosztów ich produkcji.
T echnologia ta pozw oli n a niem al dw ukrotnie w ięk szą spraw ność energetyczną w stosunku do elektrow ni cieplnych.
B ibliografia
1. A dam C. R ady, G iddey S., K ulkam i A ., S ukhvinder P., B adw al S., B hattacharya S., B radley, L adew ig P.: D irect carbon fuel cell operation on brow n coal. A pplied E nergy 120 (2014), p. 56-64.
2. D udek M .: O n the u tilization o f coal sam ples in d irect carbon solid oxide fuel cell technology. S olid State Ionics 271, (2015), p. 121-127.
3. D udek M ., T o m czy k P., S ocha R., S krzypkiew icz M ., Jew ulski J.: Int. J. E lectrochem . Sci.8 (2013), 3229-3253.
4. D ziubiński J., K ryca M ., N o w ro t A .: K o n strukcja analizatora zaw artości w ody w fazie stałej, ciekłej i gazow ej w m ateriałach skalnych o zróżnicow anym stopniu granulacji.
K onferencja P rzeró b k a 2014 - N ow oczesne ro zw iązan ia z zakresu procesów technologicznych p rzeró b k i kopalin, S zczyrk 2014.
5. N akagaw a N ., Ishida M .: Ind. Eng. C hem . Res. 27, (1988), 1181-1185.
6. O gaw a K ., Y am am oto T ., Y oneyam a T.: E nergy efficiency and fuel consum ption o f fuel cells pow ered te st railw ay vehicle. R ailw ay T echnical R esearch Institute, T okyo, Japan:
w w w .railw ay-research.org/IM G /pdf/ps.2.26.p d f
7. Suslick K .S ., D idenko Y ., F ang M .M ., K olbeck K .J., M cN am ara III, W ong M .: A custic cavitation and its chem ical consequences. Phil. T rans. R oy. Soc. A . 1999.
8. W encheng X ia, Jianguo Y ang, C huan L iang.: A sh o rt review o f im provem ent in flotation o f low rank/oxidized coals by p retreatm ents. P o w d er T echnology 237, (2013), p. 1-8.
9. Y ongm in X ie, W eizi C ai, Jie X iao, Y ubao T ang, Jian g Liu, M eilin Liu.: E lectrochem ical gas electricity cogeneration through d irect carbon solid oxide fuel cells. Journal o f P ow er Sources 277, (2015), p. 1-8
10. C entrum T ransferu T echnologii E M A G : h ttp ://w w w .cttem ag.pl/w w w /cttem ag.pl/index.
p h p / index.php/product/show /id/9
11. E n cyklopedia PW N : h ttp ://encyklopedia.pw n.pl/haslo/elektrow nia-cieplna 12. N A SA : h ttp ://w w w .nasa.gov/topics/technology/hydrogen/hydrogen_2009.htm l 13. E n cyklopedia P W N : h ttp ://encyklopedia.pw n.pl/haslo/ogniw o-paliw ow e;3950270.htm l
A bstract
N ow adays, m ethods o f industrial p roduction o f electricity b ased on p redom inant reliance on therm al p o w er plants (coal o r nuclear), ensuring energy efficiency at ju s t o v er 35% . Fuel cell pow er plants represent a new techn o lo g y extensively tested in laboratory conditions. The hydrogen and hydrocarbon fuel cell is increasingly u sed (cars, electric m u ltip le units, cam eras, m obile phones). It is expected that in the next several years w ill succeed equally large cell po w er plants. A v ery im portant aspect o f the im plem entation o f a new generation o f coal-fired fuel cells are the social and econom ic consequences. N eg a tiv e effect on society w ill a significant reduction in the n um ber o f jo b s in th e m ining and energy sectors and p ositive econom ic effect w ill the low er electricity costs.
