Poszukiwanie nowych, bardziej przyjaznych środowisku metod konwersji paliw zaowocowało rozwojem alternatywnej metody spalania w tlenie, określanej w literaturze anglojęzycznej jako oxy-fuel. Metoda ta polega na zastąpieniu tradycyjnej mieszanki utleniacza, jakim jest powietrze (głównie N2 i O2), roztworem CO2 i O2.

W warunkach rzeczywistych (przemysłowy kocioł dużej skali) układ taki otrzymuje się poprzez zawracanie części spalin do komory spalania wraz z podaniem odpowiedniej ilości tlenu potrzebnego do prawidłowej organizacji procesu spalania.

Uproszczony schemat układu komory spalania realizującej tradycyjną i tlenową metodę spalania przedstawiony jest na rysunku 1.

foto: http://pl.fotolia.com/

Dużym zainteresowaniem cieszą się procesy spalania i zgazowania tlenowego, prowadzone w warunkach podwyższonego ciśnienia ze względu na szereg zalet. Do głównych zaliczyć można:
– podniesienie sprawności procesu spalania, co bezpośrednio wpływa na zmniejszenie obciążenia środowiska [1],
– łatwiejsze usuwanie CO2 ze spalin [2],
– znaczące zmniejszenie emisji NOx [3-8],
– obniżenie zawartości części palnych w popiele [1],
– intensyfikację zjawisk transportu ciepła i masy, co bezpośrednio wpływa na zmniejszenie gabarytów projektowanego kotła [1],
– ułatwienie zapłonu paliwa [9].

Pomimo wielu zalet ciśnieniowych procesów tlenowych, opisywanych w dostępnej literaturze światowej, zauważyć można stosunkowo ubogi stan wiedzy związanej z tymi procesami. Spośród instalacji ciśnieniowych, realizujących proces spalania w reżimie tlenowym, można wyróżnić jedynie trzy jednostki. Są to kanadyjsko- amerykańska instalacja o mocy elektrycznej 15 MW (ThermoEnergy Power Systems oraz CANMET), włoska instalacja o mocy termicznej 5 MW (Enel Ingegneria e Innovazione) oraz polska instalacja o skali laboratoryjnej (3 kg/h węgla, Instytut Chemicznej Przeróbki Węgla).

Celem artykułu jest prezentacja tlenowych instalacji ciśnieniowych, które realizowane są w ramach Projektu Strategicznego PS/E/2/66420/10 „Zaawansowane technologie pozyskiwania energii: Opracowanie technologii spalania tlenowego dla kotłów pyłowych i fluidalnych zintegrowanych z wychwytem CO2”.

Badania w skali laboratoryjnej
Badania w skali laboratoryjnej prowadzone są na stanowisku ciśnieniowego spalania w tlenie, które zostało zrealizowane według autorskiej koncepcji własnej Instytutu Chemicznej Przeróbki Węgla. Fot. 1 przedstawia zdjęcie instalacji z wyróżnieniem wybranych elementów.


Układ składa się z reaktora ciśnieniowego (fluidalnego w reżimie pęcherzykowym), nagrzewnicy gazów procesowych, systemu przepływowego gazów i spalin, uszczelnionego zasobnika paliwa wraz z podajnikiem ślimakowym, chłodnicy wodnej i gazowej oraz odpylacza. Przyłącza gazów procesowych pozwalają na jednoczesne podawanie trzech strumieni gazowych (mierniki skalowane odpowiednio na CO2, O2, N2) wraz z możliwością ich automatycznej regulacji poprzez zastosowanie sterownika oraz siłowników do nastawy zaworów regulacyjnych. Gazy procesowe przed podaniem do reaktora ogrzewane są w nagrzewnicy gazów. Ciśnienie w instalacji ustalane jest poprzez zastosowanie regulatora ciśnienia o maksymalnym parametrze pracy 15 bar.

W czasie eksperymentów dokonywane są na bieżąco pomiary następujących wielkości:
– ciśnienie: pary, pod złożem, w reaktorze, przed chłodnicą wodną, za chłodnicą powietrza; bar,
– różnica ciśnień na złożu; mbar,
– temperatura: gazu przed podgrzewaczem, gazu za podgrzewaczem, gazu wtórnego za podgrzewaczem, w płaszczu reaktora, pary doprowadzanej do reaktora, wody chłodzącej w płaszczu reaktora, na elementach grzejnych, pod sitem, nad sitem, nad złożem, w górnej strefie reaktora, wlotowa do płaszcza wodnego, wylotowa z płaszcza wodnego, w zasobniku paliwa, gazu przed nagrzewnicą, za kryzą, za chłodnicą wodną, za chłodnicą gazową, w mieszalniku gazów; °C,
– przepływ: N2, O2, CO2, powietrza, gazu wtórnego; kg/h.

Śledzenie wartości mierzonych parametrów procesowych (np. temperatura, ciśnienie w określonym punkcie instalacji) może być realizowane bezpośrednio z panelu dotykowego lub z wykorzystaniem programu komputerowego do pobierania i archiwizacji danych. Program ten powstał w ramach przygotowania instalacji laboratoryjnej. Program pozwala na jednoczesny monitoring wszystkich mierzonych lub wybranych parametrów w określonych interwałach czasowych od 10 minut do miesiąca. Układ pobiera (próbkuje) dane co 1 s. Istnieje możliwość konwertowania danych do pliku typu „.xls” (program Ms Excel) bądź w formacie tekstowym.

Wartym podkreślenia jest układ analizy gazów pochodzących ze spalania w tlenie i powietrzu. Głównym elementem układu pomiarowego są analizatory tlenu, analizator GASMET DX4000 gazów działający w oparciu o metodę analizy absorpcji promieniowania podczerwonego gazów (FTIR) oraz ogrzewana droga gazowa. Układ ten pozwala na pomiary następujących składników gazowych w zakresach:
– CO2: 0-100 proc. i 0-45 proc.,
– CO: 0-6000 ppm i 0-50 proc.,
– NO2: 0-200 ppm,
– NO: 0-1000 ppm,
– N2O: 0-200 ppm,
– NH3: 0-100 ppm,
– HF: 0-100 ppm,
– HCl: 0-100 ppm,
– SO2: 0-6000 ppm,
– SO3: 0-6000 ppm,
– COS: 0-100 ppm,
– CS2: 0-100 ppm,
– H2O: 0-30 proc.,
– CH4: 0-1000 ppm,
– C2H6: 0-500 ppm,
– C3H8: 0-500 ppm,
– C4H10: 0-500 ppm,
– C2H4: 0-500 ppm,
– C3H6: 0-500 ppm,
– C6H6: 0-500 ppm,
– C6H5CH3: 0-500 ppm,
– HCOH: 0-50 ppm,
– HCN: 0-100 ppm.
Projekt badawczy jest w trakcie realizacji, aczkolwiek wykonano już badania dla paliw stałych obejmujących węgle kamienne, brunatne i biomasę. Eksperymenty wykonano dla różnych zakresów parametrów procesowych.

Wybrane informacje dotyczące wartości stosowanych parametrów w badaniach podaje tablica 1.


Jednym z najbardziej interesujących zagadnień podejmowanych w prezentowanych badaniach jest problematyka konwersji tlenków azotu, zarówno NO, jak i N2O. Wzrost ciśnienia spowodował znaczące obniżenie emisji NO. Tłumaczy się to stworzeniem preferencyjnych warunków dla reakcji w układzie NO + karbonizat, co bezpośrednio wpływa na redukcję tlenku NO. Bardziej szczegółowe informacje zostały zaprezentowane w materiałach konferencyjnych [7] oraz dostępnej literaturze o zasięgu krajowym [10] i międzynarodowym [8].

Badania w skali pilotowej
Jednym z celów prowadzonych badań na stanowisku o skali laboratoryjnej jest zdobycie doświadczenia potrzebnego do dalszej realizacji zadań badawczych na stanowiskach o skali pilotowej. Ma to kluczowe znaczenie dla opracowania technologii, która w dalszej perspektywie będzie rozwinięta na skalę przemysłową. Badania prowadzone w Instytucie Chemicznej Przeróbki Węgla (IChPW) związane są z kompleksowym podejściem do procesów konwersji termicznej paliw w warunkach podwyższonego ciśnienia, ze szczególnym uwzględnieniem aspektów ochrony środowiska.

Powstające w IChPW Centrum Czystych Technologii Węglowych – część technologiczna w Zabrzu (CCTW) obejmuje kilkanaście instalacji. Kluczową instalacją technologiczną będzie instalacja doświadczalnego zgazowania z wykorzystaniem CO2 i oxy-spalania paliw stałych w ciśnieniowym cyrkulującym złożu fluidalnym wraz z oczyszczaniem i schładzaniem gazu procesowego. Instalacja wyposażona w ciśnieniowy, cyrkulacyjny reaktor fluidalny zgazowania i oxy-spalania paliw stałych (spalania węgla w atmosferze tlenowej) przeznaczona będzie do prowadzenia prac badawczych nad procesami konwersji paliwa stałego na gaz (przeznaczony do wykorzystania energetycznego, względnie dla syntezy chemicznej), zachodzących przy różnych stosunkach tlenu i dwutlenku węgla (O2/CO2) [11].

Instalacja jest unikalnym w skali światowej prototypem, który będzie wspierany przez nowoczesne laboratoria oraz Centrum Symulacji Procesowych, Sterowania, Kontroli i Archiwizacji Procesów, będące kompleksową siecią łączącą systemy sterowania instalacjami z wizualizacją ich pracy oraz modułem zbierającym i archiwizującym dane procesowe ze wszystkich instalacji technologicznych CCTW.

CO2 w procesie zgazowania wykorzystany będzie do obniżenia zużycia węgla i tlenu w procesie. Głównym produktem instalacji w wariancie zgazowania paliwa stałego będzie oczyszczony i schłodzony gaz, który w części skierowany zostanie do satelitarnych instalacji badawczych (turbina gazowa, stanowisko testowe spalania objętościowego oraz instalacja usuwania CO2), a reszta zostanie spalona w komorze spalania. W wariancie oxy-spalania paliwa stałego, podstawowym produktem instalacji będą gorące spaliny, które kierowane będą do instalacji oczyszczania i usuwania CO2. Instalacja ciśnieniowego zgazowania i oxy-spalania węgla będzie pracowała z wydajnością ok. 100 kg/h dla zgazowania węgla i ok. 25 kg/h dla oxy-spalania. Pracę instalacji planuje się na 5 cykli zgazowania i 5 cykli oxy-spalania rocznie po 120 h każdy cykl. Podstawowym surowcem dla instalacji zgazowania i oxy-spalania węgla w reaktorze fluidalnym z cyrkulującym złożem będzie węgiel energetyczny o uziarnieniu 0-1 mm, 0-2 mm lub 0-3 mm, w zależności od prowadzonych badań. Podstawowym produktem z instalacji będzie gaz procesowy dla zgazowania węgla i gorące spaliny z oxy-spalania [11].

Produkty gazowe z procesu zgazowania węgla zawierają – oprócz głównych składników, tzn. H2, CH4, CO, CO2 i H2O – lotne składniki organiczne, począwszy od węglowodorów C2, aż do wysoce zaromatyzowanych węglowodorów zawartych w smole. W przypadku wykorzystania gazu ze zgazowania węgla jako gazu syntezowego, redukcyjnego lub jako paliwa gazowego, powinien być on oczyszczony od smoły, pyłów i wyższych węglowodorów.

Dlatego integralną częścią instalacji zgazowania i oxy-spalania węgla będzie instalacja do oczyszczania i schładzania gazu procesowego. Jej przeznaczeniem będzie oczyszczanie gazu z ciśnieniowego zgazowania węgla do poziomu zawartości zanieczyszczeń wymaganego dla jego utylizacji w turbinie gazowej oraz do oczyszczania spalin z oxy-spalania węgla do poziomu zawartości zanieczyszczeń wymaganego dla ich odprowadzenia do atmosfery.

Oczyszczanie gazu ze zgazowania węgla i spalin z oxy-spalania węgla realizowane będzie metodą mokrą w skruberze, a ich dodatkowe schłodzenie w chłodnicach płaszczowo-rurowych z opadającym filmem cieczowym. W takim systemie oczyszczania gazu możliwe jest uzyskanie poziomu zawartości smoły w gazie oczyszczonym poniżej 40 mg/mn3 oraz zawartości drobnych cząstek pyłu poniżej 20 mg/mn3. W skruberze poza oczyszczeniem gazu następuje także jego częściowe schłodzenie. Instalacja wyposażona będzie w układy pomiarowo-regulacyjne zapewniające kontrolę i rejestrację parametrów procesowych oraz skład strumieni wlotowych, wylotowych. Instalacja do oczyszczania i schładzania gazu procesowego ma charakter doświadczalny, półtechniczny. Zakładana maksymalna wydajność instalacji wynosi około 180 kg/h dla zasilania gazem ze zgazowania węgla oraz 460 kg/h dla zasilania spalinami z oxyspalania węgla [11].

Tematyka badawcza przedmiotowej instalacji doświadczalnej obejmuje badania tlenowego spalania węgla dla zeroemisyjnej produkcji energii elektrycznej, badania zgazowania węgla dla wysokoefektywnej produkcji paliw i energii elektrycznej oraz badania jednostkowych procesów oczyszczania i konwersji gazu [12]. Oczekiwane rezultaty przeprowadzanych eksperymentów na instalacji to opracowanie technologii ciśnieniowego zgazowania węgla z wykorzystaniem CO2 w charakterze surowca (chemiczna sekwestracja CO2), technologii oczyszczania i konwersji gazów otrzymywanych ze zgazowania węgla oraz technologii spalania tlenowego dla kotłów fluidalnych zintegrowanych z usuwaniem CO2. Przemysłowe wdrożenie technologii usuwania i zagospodarowania CO2 przyczyni się do zmniejszenia emisji gazów cieplarnianych. Wymienione technologie będą wsparciem dla przemysłowego wdrażania w Polsce procesu zgazowania węgla oraz oxy-spalania węgla dla zeroemisyjnego wytwarzania energii elektrycznej.

Na rysunku 2 przedstawiono uproszczony schemat procesowy instalacji doświadczalnego zgazowania z wykorzystaniem CO2 i oxy-spalania paliw stałych w ciśnieniowym cyrkulującym złożu fluidalnym wraz z oczyszczaniem i schładzaniem gazu procesowego.



Podsumowanie
Prowadzenie procesów zgazowania i spalania tlenowego w warunkach podwyższonego ciśnienia jest ciekawą alternatywą konwersji energii ze względu na szereg korzyści dla środowiska naturalnego. Do głównych należą zmniejszenie gabarytów komory reakcyjnej oraz ograniczenie emisji zanieczyszczeń gazowych.

Na szczególną uwagę zasługuje wpływ ciśnienia na konwersję tlenków azotu podczas spalania. Osłabienie tworzenia się tych zanieczyszczeń wraz ze wzrostem ciśnienia jest wyraźne i zostało potwierdzone eksperymentalnie podczas spalania zarówno węgli kamiennych, jak i brunatnych.

Prezentowane instalacje pozwalają na kontynuację problemów badawczych związanych z procesami spalania i zgazowania paliw. Wpływ ciśnienia na te procesy jest wciąż niewystarczająco poznaną dziedziną nauki. Podjęcie tych zagadnień ma nie tylko znaczenie poznawcze (czysto naukowe), ale również praktyczne, ponieważ uzyskana wiedza i doświadczenie będą wykorzystane w projektowaniu nowych, bardziej przyjaznych środowisku instalacji termicznej konwersji paliw.


Praca współfinansowana przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju jako Projekt Strategiczny PS/E/2/66420/10 „Zaawansowane technologie pozyskiwania energii: Opracowanie technologii spalania tlenowego dla kotłów pyłowych i fluidalnych zintegrowanych z wychwytem CO2”.

Literatura:
1. Wall T.F., Liu G.S., Wu H.W., Roberts D.G., Benfell K.E., Gupta S., Lucas J.A., Harris D.J.: The effects of pressure on coal reactions during pulverised coal combustion and gasification, Progress in Energy and Combustion Science, 2002, Vol. 28, pp. 405-433.
2. Hong J., Field R., Gazzino M., Ghoniem A.F.: Operating pressure dependence of the pressurized oxy-fuel combustion power cycle, Energy, 2010, Vol. 35, pp. 5391-5399.
3. Lin S., Suzuki Y., Hatano H.: Effect of Pressure on NOx Emission from Char Particle Combustion, Energy & Fuels, 2002, Vol. 16, pp. 634-639.
4. Croiset E., Heurtebise C., Rouan J.P., Richard J.R.: Influence of pressure on the heterogeneous formation and destruction of nitrogen oxides during char combustion, Combustion and Flame, 1998, Vol. 112 (1-2), pp. 33-44.
5. Tomeczek J., Gil S.: Influence of pressure on the rate of nitric oxide reduction by char, Combustion and Flame, 2001, Vol. 126 (1-2), pp. 1602-1606.
6. Gil, S.: Influence of Combustion Pressure on Fuel- N Conversion to NO, N2O and N2, Karbo, 2002, Vol. 9, pp. 272-275.
7. Lasek J., Głód K., Janusz M., Kazalski K., Zuwała J.: Pressurized oxy-combustion: study of process parameters. International Conference on Carbon Reduction Technologies CaRe Tech 2011, Hucisko.
8. Lasek J., Głód K., Janusz M., Kazalski M., Zuwała J.: Pressurized Oxy-Fuel Combustion: A Study of Selected Parameters, Energy & Fuels, 2012, (w druku doi: 10.1021/ef201677f).
9. Altun N.E., Kök M.V.: Investigation of the influence of pressure on the combustion of alpagut lignite, Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 2008, Vol. 94, pp. 235-240.
10. Lasek J.: Spalanie w tlenie, a emisja tlenków azotu. Stan wiedzy i perspektywy badawcze. Energetyka, 2011, Vol. 7, pp. 426-433.
11. Projekt wykonawczy – Instalacja doświadczalna do prowadzenia prac badawczych i rozwojowych nad zgazowaniem i oxy-spalaniem ciśnieniowym paliw stałych w cyrkulującym złożu fluidalnym, 2011 – praca niepublikowana.
12. Stańczyk K. [red.]: Studium Wykonalności dla projektu inwestycyjnego: Projekt kluczowy nr 53 Centrum Czystych Technologii Węglowych, 2009 – praca niepublikowana.