Stanisław F. ŚCIESZKA Andrzej S. ŚLĄCZKA Politechnika Śląska, Gliwice
SZANSA DLA WĘGLA
Streszczenie. W ęgiel je st zdecydow anie najbardziej obficie występującym paliwem ko
palnym , a przez to w ażnym źródłem energii. Podczas gdy zasoby gazu ziem nego i ropy naf
towej szacuje się na około 50 lat, zakładając optym istycznie ich zużycie na obecnym pozio
mie, to zasoby w ęgla ocenia się na co najmniej 300 lat. W ęgiel ma szansę stać się ponownie atrakcyjnym paliw em ju ż za około 2 0 lat, jednakże pod jednym warunkiem , że będzie oczysz
czony i spalony ze znacznie w iększą spraw nością energetyczną. D oskonale czyste system y spalania w ęgla i generowanie energii elektrycznej sąjeszcze dość odległe, ale podstaw y teore
tyczne i koncepcje technologiczne, które m ożna by obecnie wdrażać na szerszą skalę, ju ż ist
nieją. A rtykuł prezentuje głów ne i najnowsze trendy w energetyce węglowej i innych form ach zastosow ania węgla.
THE CHANCE FOR COAL
Sum mary. Coal is the w orld’s m ost abundant fossil fuel by far. W hite accesible stocks for gas and oil w ill last 50 years or so at the rates we now exploit them , there is enough coal available for three centuries at least. Coal could be the w orld’s m ost attractive fuel in about 20 years’ tim e - clean and efficient to use, and in plentiful supply. The perfectly clean coal - fired generator m ay lie far in the future, but technologies that w ould be excellent stopgaps already exist.
534 S. Ścieszka, A. S. Ślączka
1. Wprowadzenie
W ęgiel je s t jed n y m z najw ażniejszych źródeł energii na naszej planecie. G łów nie w yko
rzystyw any on je s t w procesach spalania, gazyfikacji, niskotem peraturowej karbonizacji, kok
sow ania, łagodnego utleniania i uw odornienia. Jest on niewygodnym na w szystkich etapach jego pozyskiw ania, spalania i przerobu oraz uciążliw ym dla środowiska naturalnego nośni
kiem energii. W ydobyw anie w ęgla m etodam i odkryw kow ym i oznacza długotrwałe zakłócenia krajobrazow e i ekologiczne, natom iast technologie podziem nej eksploatacji charakteryzuje m iędzy innym i w ysoka energochłonność i względnie niska niezawodność bezpieczeństwa.
N ależy w ięc dążyć do ograniczenia je g o w ydobycia (co aktualnie m a m iejsce), a polepszyć spraw ność jego spalania i przerobu. Tradycyjny, pochodzący jeszcze z X IX w ieku, sposób uzyskiw ania energii z w ęgla polega na je g o spalaniu. W rezultacie tego procesu, którego spraw ność w elektrow niach wynosi około 30%, tw orzone są, a następnie em itow ane do at
m osfery takie produkty reakcji spalania, jak: dwutlenek siarki, tlenki azotu, tlenek węgla, arom atyczne w ęglow odory arom atyczne oraz główny w inow ajca efektu cieplarnianego dw u
tlenek węgla.
K onsekw encje tych faktów są niezw ykle istotne i w ym agają podjęcia w ielokierunkow ych badań w celu stw orzenia krótszej, bardziej sprawnej energetycznie i czystszej dla otoczenia drogi od w ydobyw anego w ęgla surowego do indyw idualnego lub przem ysłow ego odbiorcy energii elektrycznej. A le dlaczego przypisuje się tem u problem owi takie znaczenie? Przecież m ożna przestaw ić energetykę na inne nośniki energii, ja k ropa naftow a lub gaz. Tak, ale ja k w ykazują badania geologiczne, za około 30 do 50 lat tylko węgiel pozostanie (w skali Globu) w ilości w ystarczającej na następne około 300 lat. Problem ten dostrzeżono ju ż w przem yśle m otoryzacyjnym kierując znaczne środki na badania np. ogniw wodorow ych, napędu elek
trycznego oraz w przem yśle lotniczym prowadząc dośw iadczenia np. z odrzutow ym i i rakie
tow ym i paliw am i syntetycznym i.
N ależy m ieć także na uwadze, że w zrasta populacja na Ziem i i że rozwój ekonom iczny w zm aga apetyty narodów na konsum pcję energii. Pom im o że przewidyw ania w ielkości popu
lacji w przyszłości nie są zbyt pewne, badania przeprow adzone przez ONZ i inne organizacje przew idują podw ojenie populacji na Ziem i do 2060 roku i to, że około 90 procent w zrostu światowej populacji przypadnie na kraje słabo rozwinięte.
R ów nolegle z przew idyw anym w zrostem populacji będzie zwiększone zapotrzebowanie na energię albow iem kraje słabo rozwinięte będ ą dążyć do popraw y sw oich w arunków życia.
Elektryfikacja je s t nieodzow na do w zrostu prosperity i przyczynia się do rozw oju przem ysło
wego. Przew iduje się, że światowe zapotrzebowanie na energię elektryczną do 2060 roku w zrośnie pom iędzy dw a a siedem razy tej ilości, ja k a była w 1986 roku, w zależności od tego czy zapotrzebow anie na energię w przeliczeniu na głowę utrzym a się na obecnym poziom ie, czy będzie w zrastało do roku 2060 z szybkością ta k ą ja k obecnie.
W św iatow ych zasobach surowców energetycznych zasoby w ęgla w ielokrotnie przew yż
szają zasoby pozostałych paliw, co w idać z danych przedstawionych na rysunku 1.
139.776
R o d z a j p a liw a
Rys.l. Światowe zasoby nieodnawialnych surowców energetycznych [37]
F ig.l. The world fossil fuels resources [37]
Stanow i on około 90% w szystkich konwencjonalnych rezerw paliwowych. Jest on także dom inujący w zasobach USA , Chin i Rosji. Przew idyw ania Światowej K om isji Energii doty
czące św iatow ego rozw oju zużycia energii w skazują co następuje:
❖ szczytowe zużycie ropy osiągnie się w 2 0 0 0 roku, a następnie będzie ono trwale malało,
❖ trw ały w zrost energetyki atomowej do 2 0 0 0 roku, po czym będzie regularnie maleć,
❖ stały w zrost zużycia gazu ziemnego, który zacznie się w yrównyw ać w połowie stulecia,
❖ gw ałtowny w zrost zużycia węgla, które w 2060 roku będzie trzykrotnie w iększe niż obecnie i je g o konsum pcja do 2060 roku przewyższy zużycie gazu dwukrotnie, a ropy naftowej trzykrotnie.
Końcow e wnioski, ja k ie w ynikają z przewidywań wzrostu ludności na Ziem i odnośnie do dostępności źródeł energii oraz potrzeby rozwoju ekonom icznego i społecznego poprzez w zrost elektryfikacji, s ą następujące:
536 S. Ścieszka, A. S. Ślączka
1. Świat pow inien być przygotow any na przynajm niej podw ojenie, a naw et potrojenie konsum pcji w ęgla do połow y X X I wieku.
2. G lobalne zapotrzebow anie na energię elektryczną m oże przewyższyć do 2060 roku dwu- do siedm iokrotnie obecny poziom zużycia.
3. Problem y ochrony środow iska są nierozerw alnie związane z rozw ojem ekonom icz
nym i energetycznym .
W yzwanie w ynikające z przedstaw ionej w izji przyszłości polega na określeniu stym ulacji zużycia w ęgla dla produkcji taniej energii przy równoczesnej ochronie środow iska naturalne
go. W ym agania te m ogą być w prosty sposób przełożone na potrzebę m aksym alizacji spraw ności term odynam icznej i ekonom icznej w światow ym w ykorzystaniu węgla.
Uważa się także, że węgiel jest jedynym paliwem, które jest w stanie zapewnić wystarczającą ilość energii elektrycznej dla szybko rozwijających się gospodarek regionu Pacyfiku, ja k np. Chin i Korei. Chyba że podejm ą one ryzyko i wysiłek rozwoju nowoczesnej energetyki jądrowej.
Węgiel będzie zatem w przyszłości głównym źródłem energii w skali globu. Zasoby energii nuklearnej są także wysokie, ale ze względu na kłopoty związane z deponowaniem odpa
dów i potencjalne zagrożenie, obecnie odstępuje się od budowania nowych siłowni nuklearnych.
Poza energetyką zawodową, która zużywa największą ilość węgla, używany on jest również w innych gałęziach gospodarki i przemysłu, a mianowicie: w transporcie, do opalania pieców prze
mysłowych, pieców cementowych, wytwarzania ciepła technologicznego, produkcji koksu, ogrzewania budynków miejskich i osiedlowych, ogrzewania szklarń i mieszkań indywidualnych.
N a rysunku 2 przedstaw iono procentow y udział konsum pcji węgla nie związanej z e n e r
getyką zaw odową.
K r a j
Rys.2. Zużycie węgla dla celów me związanych z energetyką zawodową [37]
Fig.2. Coal consumption outside power industry [37]
2. Wyższa sprawność energetyczna i ochrona środowiska
Jak w idać, w krajach w ysoko rozw iniętych węgiel używany je st głównie przez energety kę zaw odow ą do w ytw arzania energii elektrycznej wykorzystywanej następnie jako energia
“czysta” . Produkcja prądu przez wielkie elektrownie posiada znacznie w iększą sprawność aniżeli produkcja energii w innych gałęziach gospodarki. Podwyższenie sprawności w yko
rzystania energii zaw artej w paliw ie je st podstaw owym celem i koniecznością współczesnej wielkiej energetyki. Prow adzone są bardzo intensywnie badania związane z opracowaniem nowych technologii spalania w ęgla oraz konstrukcji now ych palenisk i kotłów.
“ Czyste albo zam knięte” - je st to hasło obowiązujące dla elektrowni opalanych węglem na terenie w iększości państw Unii Europejskiej. Czyste technologie spalania węgla um ożliw i
ły drastyczne ograniczenie em isji dw utlenku siarki oraz N O x. Do najważniejszych elem entów tych technologii należą: spalanie fluidyzacyjne oraz zintegrowana gazyfikacja w łączonych cyklach (Integrated G asification Com bined Cycle, IGCC). Technologia IGCC została opra
cow ana i zastosow ana m iędzy innym i przez Texaco (rys.3). Składa się ona z system u zgazo- wania w ęgla i odsiarczania uzyskanego gazu oraz połączonych cykli spalania w turbinach gazowych, rekuperacji ciepła oraz w ytwornic pary sprzężonych z turbinam i parowymi.
Spośród technologii spalania węgla i zw iązanych z nimi konstrukcji kotłów można wy
mienić [1-20,37-42] obecnie najpopularniejsze posiadające sprawność energetyczną około 36%:
PCF - Pulverized Coal Firing U SC - U ltra Super Critical
oraz w prow adzane i przyszłościow e o znacznie wyższej sprawności:
FBC - Fluidized Bed Com bustion - sprawność około 36%
CFBC - Circulating FBC BFBC - Bubbling FBC
IGCC - Integrated G asification C om bined Cycle - sprawność około 43%
ATFT-IG CC -A dvanced Fuel Technology IGCC IDGCC - Integrated Druing Gasification Com bined Cycle
APFBC - A dvanced Pressurized Fluidized Bed Com bustion + synteza związków chem icznych poza szczytem - sprawność około 50%
i najbardziej przyszłościow a technologia generatorów m agnetohydrodynam icznych (M HD) posiadających spraw ność około 60%.
538 S. Ścieszka, A. S. Ślączka
Rys.3. Ukiad generowania energii elektrycznej typu IGCC, gdzie [41]:
1-węgiel, 2-woda, 3-młyn węglowy, 4-pompa szlamowa, 5-separator powietrza, 6-tlen, 7-gazyfikator, 8-płuczka wieżowa, 9-żużel, 10-zbiomik wodny, 11-siarka, 12-oddzielanie siarki, 13-turbina gazowa, 14-turbina parowa, 15-woda zasilająca kocioł, 16-rekuperacja ciepła i wy
twornica pary
Fig.3. Integrated gasification combined cycle (IGCC) system, where [41]:
1-coal, 2-water, 3-grinding, 4-slurr pump, 5-air separation, 6-oxygen, 7-gasifier, 8-srubber, 9-slag, 10-water handling, 11-sulphur, 12-sulphur removal, 13-gas turbine, 14-steam turbine, 15-boiler feed water, 16-heat recovery steam generator
N ow oczesne technologie spalania w ęgla stosowane w energetyce oprócz wyższej spraw ności energetycznej znacznie zm niejszają em isję szkodliw ych gazów do atm osfery, ja k rów nież ilość odpadów stałych. Związane je s t to m iędzy innym i z optym alnym i w arunkam i spa
lania, ja k i ze stopniem oczyszczenia w ęgla w ym aganym przez te technologie. Rysunek 4 przedstaw ia ilość em itow anych gazów i ilość odpadów stałych pow stających w elektrow niach stosujących różne technologie spalania węgla.
O statnie badania am erykańskie wykonane przez A m erican Electric Power [2] dostarczyły ciekawej m etody oceny efektyw ności technologii opartych na w ęglu. Ocena zaw iera udział technicznych param etrów , takich ja k sprawność, dostępność oraz w spółczynniki em isji i ekonom ii. Rys. 5 przedstaw ia w zględną efektywność każdej z badanych technologii w yli
czonej w oparciu o te param etry.
O dpady stale tb/MWn
500 450 400 350 300 250 200 150
• 100
50
□ S02, Ib/MWh
IGCC IGHAT
• Odp. stale ib/»4Wh l
Rys.4. Emisja gazów i ilość odpadów stałych powstających w różnych instalacjach spalania węgla [37]
Fig.4. Gas emission and amount o f slag for different power system [37]
j§ 3 W s k a ź n ik i te c h n ic z n o - e k o n o m ic z n e a N o rm y o c h ro n y ś r o d o w is k a E f e k ty w n o ś ć w z g l ę d n a
PC w/FGD
1.05
i . 0 0 ---
PC w/FGD PC w/SCR &
AFGD
PFBC 1 G en e ra tio n
IGCC 1 G eneration
AFBC/CFBC PFBC 2
G eneration
IGCC 2 G e n e ra tio n
Rys.5. Względna efektywność technologii spalania węgla [37]
Fig.5. Relative efficiency o f different power systems [37]
N ajnow sze trendy w skazują, że w XXI w ieku nastąpi pow rót do w ęgla jako ważnego, a z biegiem czasu (w połow ie XXI wieku) podstaw owego źródła energii. Przew iduje się jednak rów nocześnie rew olucyjne zm iany w system ach generowania energii elektrycznej z tego pa-
540 S. Ścieszka, A. S. Ślączka
liwa. Przetw orzony w ęgiel będzie w elektrow niach XX I w ieku spalany w postaci tzw. synga- zu w turbinach gazow ych (rys. 3), a w następnej generacji elektrowni gorące zjonizowane gazy będ ą bezpośrednio produkow ać elektryczność przepływ ając przez silne pola m agnetycz
ne generow ane przez nadprzew odnikow e m agnesy (technologia MHD). W spom niane techno
logie charakteryzuje w yższa sprawność energetyczna oraz niższa em isja zanieczyszczeń [39-42], C hociaż zostały one opracowane teoretycznie w iele lat tem u nie doczekały się do tej pory zastosow ań w ielkoprzem ysłow ych, poniew aż taniej je st wybudow ać elektrownię na gaz w ykorzystując je g o aktualnie d u żą podaż.
Spodziew a się, że generatory m agnetohydrodynam iczne (M HD) w połączeniu z cyklem turbiny gazowej oraz cyklem pary wodnej osiągają sprawność rzędu 60%. System M H D usu
wa także je d en z głów nych składników w yw ołujących zanieczyszczenie środow iska ja k im je st siarka pochodząca z w ęgla. M ianow icie, do jonizacji gazów spalinow ych stosuje się węglan potasu, który reaguje z siarką pochodzącą z w ęgla i tw orzy siarczan potasu, który z kolei je st łatw y do w yodrębnienia i recyklingu. G eneratory M HD są jednakże źródłem zwiększonej ilości N O x.
M HD je s t bardzo atrakcyjną teoretycznie id e ą która spraw dza się także w m ałych insta
lacjach pilotujących (np. 1,5 M W generator M HD w Butte, M ontana, USA). Zbudowanie wielkiej elektrow ni w oparciu o tę technologię w ym aga jednak ogrom nych nakładów i poko
nania szeregu problem ów technicznych. Jednym i z nich są problem y tow arzyszące przepły
w ow i z prędkością naddźw iękow ą gazów spalinow ych (ogrzanych do tem peratury 2700°C i charakteryzujących się w yso k ą erozyjnością i korozyjnością) w zdłuż kanałów usytuow anych kilka centym etrów od nadprzew odnikow ych m agnesów pracujących w tem peraturze kilku stopni K elvina. Do tej pory nie rozw iązano także w sposób zadowalający m etody usuw ania z w ęgla składników tw orzących popiół lotny, który je st głównym w inow ajcą intensywnego zużyw ania elem entów turbin gazowych.
Istnieje także odm ienna technologia konw ersji energii zawartej w w ęglu na elektryczność bez stosow ania skom plikow anych układów m echanicznych (np. generatorów M HD). Jest to technika oparta na koncepcji ogniw a paliw owego. Ogniwo paliw owe zużyw a w odór ja k o pa
liwo i poprzez proces utleniania w yw ołuje kierunkow y ruch elektronów m iędzy elektrodam i, generuje ciepło oraz w ydziela w odę i dw utlenek węgla. N ow sze generacje ogniw paliw ow ych z elektrodam i z tlenku cyrkonow ego i tlenku itrowego m ają tem peraturę pracy ponad 10Q0°C i m o g ą być napędzane produktam i zgazow ania węgla. Gorące produkty spalania z takiego ogniw a, głów nie dw utlenek w ęgla i para w odna,m ogą napędzać turbiny produkując dodatko
w o w drugim obiegu elektryczność podnosząc ogólną sprawność energetyczną takich układów do ponad 60%.
K om ercyjny sukces ogniw paliw owych np. w transporcie niekoniecznie oznaczać będzie natychm iastow y w zrost zapotrzebowania na węgiel. W iększość doskonalonych obecnie kon
strukcji ogniw je s t zasilana gazem ziem nym , a nie gazem pochodzącym z węgla.
Jednakże w raz z wyczerpyw aniem się zasobów gazu ziem nego w pierwszej połow ie XXI w ieku oraz w raz ze w zrostem ceny na to paliw o następow ać będzie stopniowe zw iększanie zapotrzebow ania na gaz otrzym ywany z węgla. Zasilanie ogniw paliw owych gazem w ęglo
w ym oznacza nie tylko bardziej sprawne energetycznie użytkowanie węgla, ale także redukcję dużej części em isji dw utlenku w ęgla i tlenku azotu, szczególnie w porów naniu do spalania w ęgla w konw encjonalnych elektrow niach węglowych.
3. Energia elektryczna plus chemikalia
W przyszłości przechodzić się będzie na gazyfikację w ęgla w celu produkcji energii elek
trycznej, co będzie dużym krokiem w kierunku zw iększenia efektywności i czystości procesu.
Jest to jednakże dopiero pierw szy krok na drodze w kierunku bardziej efektywnej przeróbki węgla.
N ależy zaznaczyć, że gazyfikacja różni się od w szystkich innych technologii zam iany w ęgla na energię elektryczną. W szystkie inne technologie produkcji energii elektrycznej opar
te na w ęglu p o legają na bezpośrednim jego spalaniu i zam ianie węgla na energię cieplną. Ga
zyfikacja przy użyciu tlenu natom iast zam ienia węgiel na pośredni produkt gazowy zwany syngazem (m ieszanina CO i H 2), który m oże być albo zam ieniony na energię cieplną przez spalanie albo w ykorzystany do syntezy chemicznej w celu otrzym ania niezwykle cennych substancji organicznych lub paliw w edług opracowanych pilotow ych technologii. W ielokie- runkowość m ożliw ości w przypadku gazyfikacji w ęgla daje w łaścicielom "zgazowalni" uni
kalne m ożliw ości rozw oju ich działalności.
Produkcja chem ikaliów z w ęgla posiada bogatą historię. W czasie drugiej wojny św iato
wej węgiel był zgazyfikowany, a syngas przerabiany na paliw o lotnicze m etodą Fischera- Tropscha. Zdolności produkcyjne niem ieckich fabryk osiągnęły poziom ok. 675 tys. ton rocznie w 1944 roku. N astępne znaczące zastosow anie syngazu z węgla do produkcji chem i
542 S. Ścieszka, A. S. Ślączka
kaliów było w latach 50. i w czesnych 80, gdy zbudow ano w Południow ej A fiyce trzy instala
cje SASO L. K om pleks SASO L II i HI gazyfikow ał rocznie około 20 m in ton w ęgla produku
jąc mnóstwo ciekłych produktów od benzyny premium, paliw do silników odrzutowych poprzez olej dieslowy i olej opałowy, fenole, amoniak, etylen i mnóstwo chemikaliów dla przemysłu.
D laczego przem ysł produkcji elektryczności rozw aża produkcję chem ikaliów w elek
trow ni? O to dw a najw ażniejsze pow ody:
* Elektryczność je st produktem, który wytwarzany jest w zależności od zapotrzebowania i obecnie nie m a sposobu na jego magazynowanie w dużych ilościach w sposób ekonomicznie opłacalny. Z tego pow odu duże siłownie poza okresami szczytowymi m uszą ograniczać pro
dukcję, a nawet zaprzestać jej w okresach małego zużycia energii. Stąd nawet nominalnie obciążone siłownie pracują ze średnim rocznym obciążeniem około 60 do 70%. W przypad
ku drogiego systemu IGCC współczynnik efektywności mógłby być znacznie podwyższony, albowiem produkowany syngas może być wykorzystany do produkcji cennych chemikaliów w czasie, gdy zapotrzebowanie na energię elektryczną spada.
* Produkcja elektryczności i chem ikaliów łączy dw a główne przem ysły i stw arza m ożli
w ości współpracy.
Zintegrowane fabryki energii
Logicznym rozszerzeniem koncepcji koprodukcji elektryczności i chemikaliów jest rozwój zintegrowanych siłowni. Taka fabryka byłby zdolna do przemiany węgla w mnóstwo nośników energii ja k elektryczność, chemikalia, paliwa dla transportu i ciepło (para lub gorąca woda). Sche
mat ideowy takiej zintegrowanej elektrowni z fabryką chemiczną przedstawiono na rysunku 6.
Rys.6. Schemat ideowy zintegrowanej siłowni z fabryką chemikaliów [37]
Fig.6. Schematic diagram o f power plant and chemicals manufacturer [37]
Głównymi korzyściami wynikającymi ze zintegrowania fabryk energii i chemikaliów są:
• Zw iększenie efektyw ności konw ersji w ęgla na produkty użyteczne z obecnego poziom u ok. 34% do ok. 90%.
• M ożliwość w yzw olenia narodów z niezdrowej i kosztownej zależności od im portu ropy.
• Znaczne zm niejszenie skażenia środow iska poprzez:
a) zastosow anie czystej technologii węgla, ja k ą je st zgazowanie, b) scentralizow anie siłowni i ciepłowni,
c) niezw ykle wysokiej sprawności zam iany w ęgla na energię.
K orytarz energii [38]
Ostatecznie, w połow ie X X I stulecia św iatowe zapasy ciekłych i gazowych paliw zaczną maleć, węgiel i uran będą głów nym i surowccm i energetycznymi dla wzrastającej liczby lud
ności. Zintegrow ane system y energetyczne będą zawierały nie tylko te składniki, jakie poka
zane są na rys.7, lecz będą praw dopodobnie zawierały także duże siłownie jądrow e. R ys.7 przedstaw ia koncepcję połączonego zintegrowanego system u węglow o-nukleam ego łącznie z oryginalnym sposobem m agazynowania energii i przesyłania jej do w ielkich m iast bez po
trzeby dodatkow ych linii przesyłow ych.
Ta koncepcja "korytarza energii" była po raz pierw szy opisana przez Gluckm ani Squires w 1975 roku w czasopiśm ie A pplied Energy. Zintegrowany w ęglow o-nukleam y kompleks energetyczny byłby zlokalizow any w pewnej odległości od obszaru miejskiego. Chemikalia, paliw a i energia elektryczna były produkowane w jednym miejscu. N ow ym produktem wy
tw arzanym w odległym m iejscu byłoby sprężone pow ietrze przesyłane poprzez podziem ny tunel pod ciśnieniem około 5 M Pa do miasta. Tunel działałby jako ogrom ny system m agazy
nowy. Sprężone pow ietrze byłoby produkowane w sposób ciągły w odległym miejscu. Pow ie
trze byłoby pobierane z tunelu do zamiany na energię elektryczną w w ielu m ałych siłow
niach z turbinam i rozprężnym i zlokalizowanym i w zatłoczonym centrum. Elliott w ykazał, że przy pewnej skali byłoby tańsze przesyłanie energii w form ie sprężonego pow ietrza aniżeli za p om ocą przew odów elektrycznych. W czasie zimy ciepło odpadowe ze zintegrowanego sys
tem u energetycznego byłoby zużyte w sieci ciepłowniczej do ogrzewania miasta. W czasie lata natom iast ciepło to m ożna w ykorzystać do chłodzenia w system ach klim atyzacyjnych.
544 S. Ścieszka, A. S. Ślączka
E
r
--
-i
iia.
1
—
i
i
I
CT' _ Rys. 7.Schematideikorytarza energii Fig. 7.Schematic diagramofpowercorridor
D odatkow ym atrybutem korytarza energii byłoby to, że przyciągałby on ja k magnes przedsiębiorstw a zużyw ające energię i lokow ał je w zdłuż siebie. Takie przem ysły, ja k o- czyszczanie gazu, produkcja chem iczna, m etalurgia, przem ysł spożywczy ceram iczny itp.
usytuow ane w pobliżu "korytarza energii", m iałyby niskie koszty inw estycyjne oraz niskie koszty energii.
4. Czysty węgiel
Oczyszczanie w ęgla staje się koniecznością nie tylko z uw agi na ochronę środowiska, ale także z uw agi na to, że now oczesne i przyszłościow e technologie spalania, takie ja k IGCC, A PFBC , a zw łaszcza M HD , w ym agają małej zaw artości siarki i popiołu w w ęglu, ponieważ cząstki m ineralne pozostałe po spaleniu działają bardzo erozyjnie i korozyjnie na łopatki tur
bin gazowych.
N iektóre z now ych tak zw anych niekonw encjonalnych zastosow ań w ęgla także w ym agają usunięcia z niego popiołu i siarki. M ożna tu zaliczyć opisane niżej technologie.
4.1. Zaw iesinow e paliwa w odno-w ęglow e (cw sl)
Zastosow anie w ęgla ja k o paliw a stałego zm niejsza się. Jest on zastępow any przez oleje opałow e i gaz. Łatw ość transportu i m anipulow ania paliw am i płynnym i i gazowym i rów no
waży, a naw et przew aża na korzyść tych ostatnich różnicę cen pom iędzy paliw am i gazowymi i ciekłym i a w ęglem .
W ciągu ostatnich kilku lat obserw uje się rozwój badań nad alternatywnym i paliw am i dla m ałego przem ysłu i kotłow ni. Zastosow anie niskopopiołow ych i niskosiarkow ych w ęgli do produkcji zaw iesinow ych paliw w ęglow o-w odnych je st je d n ą z m ożliw ych dróg do zm niej
szenia kosztów paliwa.
Zaw iesinow e paliw a wodno-w ęglow e są przedm iotem intensyw nych badań z uw agi na m ożliw ość zastosow ania ich w kotłow niach opalanych dotychczas olejam i opałowym i.
T ypow e paliw a w odno-w ęglow e zaw ierają od 60 do 70% węgla, 25 do 40% wody i około 1% dodatków chem icznych. D robno uziam ione w odno-w ęglow e paliw a zawiesinowe o m niejszym zagęszczeniu (50-55% w ęgla) stosowane są do napędu turbin gazowych. Paliwa
546 S. Ścieszka, A. S. Ślączka
tego typu posiadają konsystencję m ieszczącą się w zakresie od w ysoko płynnych cieczy o lepkościach zbliżonych do lepkości oleju opałowego do m ieszanin tiksotropow ych, które w stanie spoczynku w ystępują w form ie żeli, a stają się płynne w m om encie zadziałania na nie sił ścinających [21, 22, 23, 24, 25]. W łaściw ości fizyczne oraz palne tego rodzaju paliw zależą od następujących czynników :
- typu w-ęgla użytego do przygotow ania paliwa;
- kształtu ziam węglow ych;
- składu ziarnow ego zaw iesiny;
- zaw artości popiołu w w ęglu;
- zagęszczenia zaw iesiny w odno-w ęglow ej;
-rodzaju dodatków chem icznych.
C zynniki te w pływ ają na łatw ość transportu paliw a, je g o m agazynow anie, płynność, zdolność do rozpylania w palniku i charakterystykę płom ienia, w artość opałow ą oraz em isję substancji szkodliw ych w trakcie ich spalania. C zynniki te należy brać pod uwagę podczas badań nad zaw iesinow ym i paliw am i w odno-w ęglow ym i.
Jest kilka korzyści ze stosow ania tego rodzaju paliw w porów naniu z paliw am i stałym i stosow anym i do opalania kotłów , a m ianow icie: łatw ość transportu - m o g ą być transportow a
ne przy użyciu rurociągów , łatw ość m agazynow ania w zbiornikach, ja k rów nież m o g ą być w prow adzane do paleniska przez w trysk, podobnie ja k paliw a płynne. Paliw a stałe w ym agają specjalnych urządzeń do ich transportu, przygotow ania do spalania, ja k i specjalnych urzą
dzeń do zasilania palenisk. Poza tym operow anie pyłem w ęglow ym stwarza niebezpieczeń
stw o wybuchu.
W ytw arzanie zaw iesinow ych paliw w ęglow o-w odnych m oże być połączone z procesem wzbogacania w ęgla, na przykład z flotacją. W tym przypadku m ożliw e je s t zm ielenie w ęgla przed flotacją w celu uw olnienia ziam w ęglow ych od skały płonnej bez ryzyka związanego z trudnościam i odw adniania koncentratu. W tym przypadku bow iem odw adnianie nie je st konieczne. O szczędza się też dużo energii elim inując proces suszenia koncentratu węglowego.
Zastosow anie zaw iesinow ych paliw w ęglow o-w odnych obniża tem peraturę płom ienia w palenisku, co pow oduje zm niejszenie zaw artości N O x w spalinach.
4.2. W ęgiel jako paliw o do silników diesla
N ajw iększym w yzw aniem w rozw oju badań nad paliw am i je st skonstruow anie mogącej znaleźć pow szechne zastosow anie lokom otywy z silnikiem diesla zasilanym węglem. Jed
nostka taka składa się z następujących zespołów: w ielocylindrow ego silnika dieslowego zasi
lanego paliw em w ęglow ym , urządzeń sterujących, system u zasilania zaw iesiną wodno- węglową. Zaw iesinę w ęglow ą do napędu takiego silnika sporządzono z odpopielonego węgla z Kentucky Blue G em o składzie 49% wag. w ęgla o zaw artości popiołu poniżej 1% i średnim rozm iarze ziam poniżej 5 m ikrom etrów [26, 27, 28].
4.3. U w odornienie
Dla tych sam ych pow odów , dla których spodziewany je st w zrost zainteresow ania w ęglem ja k o paliwem , będzie w zrastało także zainteresow anie w ęglem jako surow cem dla przem ysłu chem icznego. W ęgiel będzie głów nym źródłem w ęglow odorów niezbędnych do produkcji tw orzyw sztucznych, naw ozów oraz rozpuszczalników. Przypuszczalnie w połow ie X XI w ie
ku pow tórzy się sytuacja, ja k ą przeżyw ały N iem cy w okresie II w ojny światowej. W tym w ła
śnie czasie zastosow ano po raz pierw szy na dużą skalę opracowany w 1920 roku przez Fi
schera i Tropscha proces syntezy w odoru (H2) oraz tlenku w ęgla (CO) w obecności katalizato
ra do postaci w ęglow odorów. Reakcja ogólna tego procesu to:
n CO + (2 n + l) H 2-> C nH 2n+2+nH 20
gdzie: jeżeli n = 1, to produktem reakcji je st m etan CH4, itd.
Oba składniki gazu syntezow ego (H2, CO) otrzym uje się z w ęgla w w yniku jego zgazo- w ania. Proces ten na dużą skalę (ale z pew nym i m odyfikacjam i) je st stosowany aktualnie przez SASOL (South A frica Synthetic Oil).
Rów nież technologie bezpośredniego uw odornienia w ysoko oczyszczonego w ęgla (m etoda Bergiusa) doczekały się w U SA realizacji przem ysłow ej, lecz ze w zględu na stosun
kowo niskie obecnie ceny ropy naftowej nie są wdrażane. Badania w tej dziedzinie są jednak prowadzone bardzo intensywnie i należy się spodziewać, że w przyszłości duża część paliw płynnych otrzym yw ana będzie z węgla.
548 S. Ścieszka, A. S. Ślączka
4.4. W ęgiel jako reduktor w procesie w ielkopiecow ym
Jednym z głów nych konsum entów w ęgla je st przem ysł m etalurgiczny używ ający w ęgla w procesie w ielkopiecow ym . W 1987 roku w yprodukow ano około 320 m in ton koksu m etalur
gicznego [29]. Proces koksow niczy je s t procesem bardzo drogim z punktu w idzenia ogólnych kosztów budow y i kosztów ruchu, ja k rów nież z pow odu niskiej w ydajności procesu kokso
w ania. Z tego pow odu odżyw ają pom ysły zastosow ania do redukcji rudy żelaza w ęgla bezpo
średnio w tryskiw anego do w ielkiego pieca.
Zastosow anie w ęgla w procesie w ielkopiecow ym polepsza otrzym yw anie gorącego m eta
lu nie tylko z pow odu zm niejszenia kosztów procesu, lecz rów nież z punktu w idzenia ochrony środowiska.
K onw encjonalny sposób produkcji żeliw a w w ielkim piecu w ym aga przygotow ania w sa
du, co obejm uje produkcję koksu i spiekanie rudy z koksem . O ba te procesy p o w odują bardzo duże skażenie środow iska naturalnego. Zastosow anie w trysku pyłu w ęglow ego do w ielkiego pieca pociąga za so b ą zm niejszenie ilości potrzebnego koksu, a w ięc ograniczenie je g o pro
dukcji [30].
W łoska firm a badaw cza "Centro Sviluppo M aterial" (CM S) zaprojektow ała proces oparty na w trysku pyłu w ęglow ego bezpośrednio do w ielkiego pieca [31]. C elem tego procesu było ograniczenie zużycia koksu i ograniczenie je g o produkcji związanej z zagrożeniam i skażenia środow iska. Zaprojektow any proces um ożliw ia w tryśnięcie bezpośrednio do w ielkiego pieca do 200 kg w ęgla na tonę gorącego m etalu. Zastępuje to około 40% koksu norm alnie używ a
nego do tego celu. P odobny zakład był zaprojektow any przez N ippon Steel C orporation w Japonii [32]. Zw iększająca się liczba w ielkich pieców pracujących w edług tej technologii potw ierdza korzyści ekonom iczne z jej zastosow ania. Proces ten je s t stale ulepszany, a w badaniach kładzie się nacisk na szybkość w trysku, spraw ność procesu spalania węgla, w ilgotność w ęgla i zapotrzebow anie tlenu. Zostały opracowane m odele m atem atyczne do sym ulacji tego procesu [33, 34]. W Szwecji opracow ano proces zw any Balanced O xygen Blast Furnace, w którym w trysk dużej ilości sproszkow anego w ęgla zastępuje użycie drogiego koksu [35], G łów nym i korzyściam i ze stosow ania tego procesu są: niskie koszty energii, w y
soka wydajność, uproszczenie wyposażenia, łatwość prowadzenia procesu oraz możliwość zaadap
towania go w istniejących konwencjonalnych wielkich piecach o dużej mocy przerobowej.
Technologia ta jest rozwijana, o czym świadczy wiele prac prowadzonych w tej dziedzinie.
5. Podsumowanie
* A naliza aktualnego stanu zastosow ań znanych albo aktualnie opracow yw anych techno
logii utylizacji w ęgla w ykazuje, że era “czystego” w ęgla jeszcze nie w pełni nadeszła, ale w iadom o, że je st nieuniknionym przeznaczeniem tak w konsekwencji struktury przyszłego rynku paliw , ja k również spodziew anych zm ian w zapisach legislacyjnych dotyczących ochrony środow iska w skali globalnej.
* Świat pow inien być przygotow any przynajm niej na podw ojenie, a może i potrojenie zu
życia w ęgla do połow y X XI wieku.
* Światowe zapotrzebowanie na energię elektryczną wzrośnie do 2060 roku od 2- do 7- krotnie.
* W ym agania ze strony ochrony środow iska zm uszają do m aksym alizacji efektywności term odynam icznej i ekonom icznej w ykorzystania węgla.
* Z pow odu czystości i elastyczności technologii zgazow anie w ęgla będzie głów nym pro
cesem opartym na w ęglu w X XI wieku.
* Zintegrow ane system y produkcji energii i nowe koncepcje, takie ja k np. korytarz energii będ ą z uwagi na ekonom ikę i ochronę środow iska rozwijane, co spow oduje też unieza
leżnienie się od importowanej ropy naftowej.
Jest niezm iernie istotne, że w perspektyw ie dw udziestu i więcej lat tylko te kraje będą korzystać z faktu posiadania złóż w ęgla łącznie z technologiam i now oczesnego (znaczy czy
stego) przetw arzania w ęgla na energię, które zainw estują w rozwój tych w łaśnie technologii.
Przypuszczalnie kraje posiadające węgiel i rozw inięte wyżej w ym ienione technologie osiągną pozycję globalnych m onopolistów za około pięćdziesiąt lat. N asuw a się pytanie, czy planiści i dysponenci polskiej gospodarki są tego św iadom i?
LITERATURA
1. Lockhard N.C.: Prospects o f innovative coal préparation technologies. Proc.W orld Coal Institute Conférence and Exhibition; London, 1991, p.335.
2. K oizum i S., Hagino T., Y am am oto Y., M izoguchi C., Sunaga K.: C oal/biom as com posite solid fuel (bio-coal). 2nd Conférence o f Coal U tilization Technology (Japan) Sep.
1992 p.180-188.
550 S. Scieszka, A. S. Slqczka
3. Saranchuk V .I., Pashchenko L.V., K hazipov V.A., G alushko L.Y a., Sem enchenko M .V.:
B riquetting o f m ixtures o f brow n coal w ith hydrolysed lignin. :Ugol U krainy; (6); p .53-56 (June 1992).
4. B aulin A.V ., K arakuts V.N., Telyashev Eh.G .: Effect o f com posite tw o-com ponent addi
tive on the quality o f brow n coal briquetting layers. U gol; (2); p .51-52 (1992).
5. Petrov V .M ., N azarov P.G .: N ew technical designs used in planning coal briquetting plants at the G iproshakht institute. U gol; (6); p .40-43 (1992).
6. P avlyuk N .P ., Poletaev A.A., K ryazhev A .N .: Concept o f autom atic for the K um ertau briquetting plant. U gol; (7); p.26-29 (1992).
7. Keane G.: Environm entally friendly coalbriquettes from Rockham pton. A ustralian M i
ning; 84 (9); p .37 (1992).
8. Rehn F.: State o f raw coal processing and dried coal processing at the briquette factories o f th e Lusatian Brow n coal Corporation. B raunkohle; 44 (8); p .11-15 (1992).
9. G leisberg R., M rosk H.P.: The processing plants at the E SPA G briquette factories. B raun
kohle; 44 (8); p .15-19 (1992).
10. K nauth F.: B row n coal briquetting in G erm any and the form er state-trading countries o f East Europe. B raunkohle; 44 (11); p. 16-20 (1992).
11. Y oung B.C.: Coal briquetting. Proc. Energy and environm ent: Transitions in Eastern Eu
rope; Prague; 20-23 Apr. 1992.
12. M inistry o f M ines and E nergy (Indonesia): P lanning and developm ent o f coal briquetting industries in Indonesia: Coal in A sia-Pacific; 4 (4); p.18-28 (1993) [Coal Abstracts 93:05016],
13. C hom a J., Gw izdalski M.: A pplication o f the m ethod and adsorption equation o f Dubinin- R adushevich in characterizing adsorption properties o f m icroporous activated carbon:
Karbo: Energochem ia, Ekologia; 37 11); p .263-268 (1992).
14. R uiz B., Parra J.B., A lvarez T., Fuertes A.B., Pajares J.A. Pis J.J.: A ctive carbons from sem ianthracites: A pplied Catalysis; 98 (2); p .115-123 (1993).
15. L opez-R am on M .V., M oreno-C astilla C., Rivera-Y trilla J., H idalgo-A lvarez R.: Activated carbons from a subbitum inous coal: pore texture and electrokinetic properties: Carbon; 31 (5); p.815-819 (1993).
16. K ovacik G.J., Bushe W .K., W ong B.Y.: Sim ultaneous production o f energy and specially products from low reactivity coal: Final report A lberta Research Council (Canada); [Coal A bstrrcts 93:01697],
17. Tom ashevskaya A.N., Tarkovskaya I.A., Baidebko V.I.: Sorption o f am m onia, sulphur and nitrogen dioxides from gas and air m ixtures by carbon materials. Ukrainskii Khimi- cheskii Zhum al; 58 (2); p .155-160 (1992).
18. Botha F.D.: Characterization o f the structure and adsorption capacity o f activated carbon produced from South A frican coals. Ph.D. Thesis (University o f Bath, B ath (UK). [Coal A bstract 93:03563],
19. U trilla J.: A ctivated carbons as adsorbents o f SO2 in flow ing air - effect o f their pore texture and surface basicity. Langm uir; 9 (5) p.1378-1383 (1993).
20. Jagtoyen M., Groppo J., D erbyshire F.: A ctivated carbons from bitum inous coals by reac
tion w ith H3PO4: the influence o f coal cleaning: Sym posium on high value m aterials from coal. San Francisco; 6-10 Apr. 1992.
21. M iller B.G.: Coal-water slurry fuel utilization in utility and industrial boilers. Chem ical Engineering progress; p.29, (M arch 1989).
22. W illiam s J.A., A koto W .O., Tagoe C.C.: Effect o f selected additives on the stability and rheology o f coal-w ater m ixtures. Proc. Seventh International Sym posium on Coal Slurry Fuels Preparation and Utilization; M ay 21-25 (1985) N ew Orlean Louisiana; p. 155.
23. Lapasin R., Pricl, S.: Continuous and oscillatory flow properties o f concentrated co
al/w ater suspensions. Canadian J.Chem . Enging.: 70,(1); p.20-27 (1992).
24. Turian R.M ., Fakhreddine M .K., A vram idis K.S., Sung D.J.: Yield stress o f coal-water m ixtures. Fuel; 72 (9); p. 1305-1315 (1993).
25. Leong Y.K., Boger D.V., Christie G.B., M ainw aring D.E.: Rheology o f low viscosity, high concentration brow n coal suspensions. Rheologica Acta; 32 (3); p.277-285 (1993).
26. Hsu B.D., M cD ow ell R.E., Confer G.L., Basic S.L.: Coal-fueled diesel locom otive test.
M eeting on coal-fueled heat engines, advanced PFBC and gas stream cleanup systems.
M organtow n, W V (USA). 27-28 Oct. 1992. [Coal A bstracts: 93:05221],
27. W ilson R.P., Balles E.N., Benedek K.R., Benson C.E., Tao K., Schaub F., K im berley J., Itse D.: Testing o f coal-fired diesel pow er plant. Ibid. [Coal A bstracts 93:05222],
28. Badgley P.R.: N ovelinjector techniques for coal-fueled diesel engines. Final report. Report no. D O E/M C/26305 - 3257, lOOp. (Sep. 1992). [Coal Abstracts 93:05223].
29. H arrison J.S.: Clean use o f coal in industry. Proc. o f the W orld Coal Institute Conference and Exhibition - Coal in the Environm ent London, 3-5 A pril 1991 p. 127.
30. D w yer G.M ., M uir D.A.: Pulverized coal injection and coal demand: a focus on Japan.
A griculture and Resources Quarterly; 4 (3); p.368-377 (1992).
31. M algarini M .G.: D irect use o f coal in ironm aking. Proc. W orld C oal Institute Conference and Exhibition Coal in the E nvironm ent. 3-5 April, L ondon (1991); p .367-368.
32. T ateoka M .: D evelopm ent o f pulverized coal injection into blast furnaces in Japan. Coal in A sia-Pacific; 4 (2); p.37-47 (1992).
33. Y am aguchi K at al.: M axim um injection rate o f pulverized coal intto blast furnace through tuyeres w ith consideration o f unbum t char. ISIJ International; 32 (6); p .716-724 (1992).
34. O hno Y. at al.: Process characteristics o f a com m ertial-scale oxygen blast furnace process w ith shaft gas injection. ISIJ International; 32 (7); p.838-847 (1992).
35. Jitang M., Edstroem , J.O.: The balanced oxygen blast furnace (BO BF) ironm aking pro
cess. Scandinavian Journal o f M etallurgy; 21 (3); p .104-111 (1992).
36. B ilik J., K ret J.: Possibility o f blast furnace coke substitution by coal dust under condi
tions o f C zechoslovakia. H utnik - W iadom ości H utnicze; 59 (6); p. 184-186 (1992).
37. M ateriały Econom ic C om m ission for Europe; C om m ittee on Coal - Energy/W P. 1/GE.
3/R. 5 30.01.1995.
38. G luckm an M.J.: Tow ard 21st Century Coal Processing - Proceeding o f the W orld Coal Institute Conference and Exhibition “Coal in the E nvironm ent” .
39. Charles D.: In search o f a better bum N ew Science, N o 1 1993, s.21-25.
40. G reenfield P.: Clean up or shut-up for coal stations, Professional Engineering, N o 6, 1997, s. 16-17.
41. M ahr D.: Coal for industrial boilers, M echanical Engineering, N o 2, 1985, s.34-43.
42. F agenbaum J.: B ack to coal pow er, M echanical Engineering, N o 8, 1983, s.39-45, Z a
łącznik A.
Recenzent: D r hab. inż. K rystian Probierz
Abstract
Coal is the w o rld ’s m ost abundant fossil fuel by far. W hile accessible stocks o f gas and oil will last 50 years or so at the rates w e now exploit them , there is enough coal available for three centuries at least. The w orld has coal resources equivalent to at least 10000 billion ton
552________________________________________________________S. Ścieszka, A. S. Ślączka
nes o f oil, the traditional unit for com paring stocks o f fossil fuels. E xtracting coal from the ground involves tearing up landscapes w ith opencast m ines, or risking hum an health and lives in deep m ines. The traditional w ay to unleash coal’s energy is by setting five to it, a reaction that produces sulphur dioxide, nitrogen dioxide, carbon m onoxide, a brew o f arom atic hydro
carbons laced w ith toxic m etals, to say nothing o f carbon dioxide, the m ost notorious green
house gas. On top o f all that, conventional pow er stations w aste about tw o-thirds o f the coal’s energy. W hy bother? Because coal is the only fossil fuel available in quantities that for practi
cal purposes are inexhaustible. It is the only fuel capable o f providing the electricity needed for the econom ic developm ent o f the world. Coal is a very versatile fuel. It can be burned as a solid, a liquid, or a gas. The hot gases that com bustion releases drive stream generators in to
day’s pow er stations, and they w ill probably pow er gas turbines in the next generation o f sta
tion. Further into the future, the gases may produce electricity directly w hen they stream through a m agnetic field (M HD), while hydrogen from coal could be generating electricity in battery-like fuel cells. M any o f these technologies are far less polluting and capture co al’s energy m ore efficiently than conventional pow er plants. Cleaned-up coal has several attrac
tions. M ixed w ith w ater as slurry it could substitute for heavy fuel oil. C oal-water m ixtures could also fuel gas turbines in advanced pow er generation, run diesel engines, or provide clean carbon for alum inium and steel smelters. C om m ercial success for fuel cells will not necessarily help the coal industry im m ediately. A ll these fuel cell projects use natural gas, not gas from coal. But i f natural gas prices rise, as seem s likely w hen exploitable resources run short over the next few decades, fuel cells m ight sw itch over to coal gas. R unning fuel cells on coal gas w ould m ean m ore efficient use o f coal, while elim inating m ost o f the em issions. A l
though the era o f truly clean coal, w hether driving M H D , fuel cells or super-efficient gas tur
bines, is at least one generation o f technology in the future, those countries developing the new technologies now w ill be the ones that w ill benefit later. Poland should be one o f them.
