Szkoła Eksploatacji Podziemnej 2009, Materiały Konferencyjne
Oczyszczanie węgla przed spalaniem pierwszym etapem Programu Technologii Czystego Węgla
Wiesław Blaschke
Instytut Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią PAN, Kraków,
Katedra Przeróbki Kopalin i Utylizacji Odpadów, Wydział Górnictwa
i Geologii, Politechnika Śląska, Gliwice.
STRESZCZENIE: Program Technologii Czystego Węgla obejmuje cztery kierunki. Pierwsze trzy obejmują oczyszczanie węgla przed spalaniem, doskonalenie procesów spalania, oczyszczanie produktów spalania. Czwartym kierunkiem są konwersje węgla. W artykule opisano pierwszy kierunek. Omówiono klasyczne metody wzbogacania, dodatkowe procesy przygotowania czystego węgla, głębokie wzbogacanie. Przedstawiono syntetycznie zarys programu Clean Coal Technology oraz konieczność wzbogacania węgla przed spalaniem. Zwrócono uwagę na celowość prowadzenia dalszych badań związanych z pierwszym kierunkiem CCT.
SŁOW A KLUCZOWE: Technologie czystego węgla, wzbogacanie węgla
1. WPROWADZENIE
Program nazywany Technologie Czystego Węgla (Clean Coal Technology) rozpoczęto realizować
w Stanach Zjednoczonych już ponad 30 lat temu.
Węgiel jest najbardziej powszechnym paliwem w USA. W oparciu o niego wytwarzane jest ponad 50% energii elektrycznej i przemysłowej pary wodnej. Zasoby węgla są znaczne i powszechnie dostępne, a wraz ze wzrostem zapotrzebowania na energię corocznie wzrasta zużycie węgla. Wykorzystywanie węgla odbywać się musi nie tylko w sposób ekonomiczny, lecz także i bezpieczny z punktu widzenia jego wpływu na środowisko. W USA skupiono uwagę na emisjach tlenków siarki SOx tlenków azotu NOx i dwutlenku węgla CO2. Standardowy 500 MW kocioł spalający węgiel kamienny, wydobyty we wschodniej części USA, emituje do atmosfery około 80 tys. ton SOx, 15 tys. ton NOx i 280 tys. ton CO2. Te emitowane związki są uważane za główne zagrożenie dla środowiska.
W 1990 roku wprowadzono w USA ustawę dotyczącą czystości powietrza. Ustawa ta zmieniła optykę przemysłu produkującego energię elektryczną w Stanach Zjednoczonych. Zgodnie z intencją ustawy należało rozwiązać pięć problemów.
1. konieczność zmniejszenia emisji SO2 do 2,5 funta/mln Btu do roku 1995, a w roku 2000 do poziomu 1,2 funta/mln Btu;
2. zminimalizowanie kosztów kapitałowych i eksploatacyjnych, zmniejszenie opłat dla konsumentów
i zmaksymalizowanie zysków udziałowców;
3. utrzymanie regularnej podaży paliwa, uniknięcie wysokich kosztów transportu, zapobieżenie utracie pracy w lokalnych kopalniach;
4. udoskonalenie pracy zakładów, ale bez dodatkowych nadmiernych działań obciążających te zakłady;
5. utrzymanie kontroli nad zagospodarowaniem odpadów, które mogłyby wpłynąć ujemnie na środowisko oraz stworzenie nowych metod zagospodarowania odpadów.
Program Technologie Czystego Węgla, realizowany od 1987 roku, miał na celu opracowanie nowych technologii pozyskiwania i użytkowania węgla, które pozwolą ma dotrzymanie ostrych norm (limitów)
emisji zanieczyszczeń do atmosfery przy dalszym jego użytkowaniu. Program objął także zagadnienia
prawne, a programy badawcze uwzględniały cały cykl wdrożeniowy, od projektu badań aż po upowszechnianie wyników. Koszt realizacji programu tylko w latach 1987–1992 przekroczył 5 miliardów USD. Program zakładał także, że wykorzystane będą wszystkie dotychczas zakończone prace badawcze realizowane w innych programach. Sporządzono inwentaryzację prowadzonych i zakończonych prac mogących być wykorzystanych dla celów programu Clean Coal Technology.
W nowym Programie CCT szczególny nacisk położono na opracowanie nowych lub udoskonalenie znanych technologii w całym cyklu użytkowania węgla. Cykl ten obejmuje:
- oczyszczenie węgla przed spalaniem wraz z przygotowaniem mieszanek węglowych o jakości gwarantującej dotrzymanie limitów emisji (Precobustion);
- eliminację szkodliwych domieszek w trakcie spalania przez doskonalenie metod spalania (Advanced Combustion);
- oczyszczanie spalin (Advanced Postcombustion).
Autorzy programu uważali, że żadnemu z wymienionych powyżej kierunków działań nie można przypisać decydującej roli. Problem należy rozwiązywać kompleksowo, wykorzystując wszystkie możliwości tych kierunków. Podkreślano, że tylko równoległe stosowanie wymienionych trzech kierunków może dać zadawalające efekty przy najniższych nakładach.
Program Technologii Czystego Węgla realizowany był głównie w celu poprawy jakości węgla kierowanego
do dalszego użytkowania, a także doskonalenia samych procesów spalania łącznie z oczyszczaniem powstających spalin. Analiza źródeł literaturowych pokazała, że pierwszy etap -etap przygotowania czystego węgla do spalania został skutecznie zrealizowany. W USA w zasadzie nie kieruje się do spalania węgla niewzbogaconego (surowego). Węgiel zawierający domieszki kamienia nie jest też przedmiotem handlu międzynarodowego. Praktycznie rozwiązano w USA także większość problemów czystego spalania węgla
i oczyszczania spalin. Prowadzone są jednak prace mające na celu dalsze udoskonalenie procesów wchodzących w zakres drugiego i trzeciego etapu utylizacji węgla.
Opanowanie przedstawionych powyżej kierunków działania otworzyło możliwość (a nawet konieczność) poszerzenia Programu CCT. Włączono do niego, w końcowych latach osiemdziesiątych ubiegłego wieku kierunek zwany nowymi konwersjami węgla. Obejmuje on procesy:
-zgazowanie, upłynnianie, pirolizę węgli (Conversion).
Prace badawcze i wdrożeniowe w tym zakresie są intensywnie prowadzone.
Autor niniejszego referatu, wraz z dwunastoosobową grupą polskich specjalistów zajmujących się różnymi aspektami gospodarki paliwowo-energetycznej, przebywał w czerwcu 1991 roku w Stanach Zjednoczonych. Zapraszającym był Amerykański Komitet Światowej Rady Energetycznej. Celem pobytu było, między innymi, zapoznanie strony polskiej (delegacji Polskiego Komitetu Światowej Rady Energetycznej) także z Programem Technologii Czystego Węgla. Ze względu na zainteresowania naukowe autor niniejszego referatu otrzymał zadanie zainteresowania się pierwszym kierunkiem programu, tzn. oczyszczaniem węgla przed spalaniem. Specjaliści amerykańscy prezentujący dorobek Programu przedstawiali dość ogólne informacje ukazujące kierunki badawcze, nie przekazywano konkretnych, szczegółowych rezultatów badań i wdrożeń dotyczących pierwszego kierunku. Szczegółowo prezentowano kierunek drugi i trzeci, nawet z pokazaniem laboratoriów, instalacji badawczych i instalacji przemysłowych. Udostępniono natomiast materiały pokazujące,
że rozwiązany został problem klasycznej przeróbki węgla. Zapoznano nas także z etapem obejmującym dodatkowe czynności i procesy poprawiające parametry jakościowe wstępnie wzbogaconego węgla. Zagadnienia te zostaną omówione w dalszej części niniejszego referatu. W latach późniejszych autor miał okazję zapoznać się z zakładami wzbogacania węgla w tym z pilotowym zakładem wybudowanym w ramach programu Clean Coal Technology.
2. DLACZEGO NALEŻY WZBOGACAĆ WĘGIEL PRZED SPALANIEM
Specjaliści interesujący się problemami spalania wiedzą, że praktycznie każdy węgiel, niezależnie od jego jakości, może być użytkowany w energetyce. Można, co jest oczywiste, spalać węgiel bardzo dobrej jakości (wysoka wartość opałowa, mała zawartość popiołu), można też spalać węgiel bardzo złej jakości. Problemem jest tylko dostosowanie kotłów i instalacji nawęglających do jakości otrzymywanego węgla. Tu należy przypomnieć, że budowane w poprzednim systemie gospodarczym elektrownie przystosowane były
do spalania węgla coraz gorszej jakości, gdyż taki produkt otrzymywano z kopalń węgla kamiennego. Spowodowane to było brakiem zakładów wzbogacania miałów energetycznych, a tego rodzaju węgiel
jest spalany w kotłach pyłowych.
W latach osiemdziesiątych i dziewięćdziesiątych wybudowano sekcje miałowe w zakładach przeróbki węgla. Stworzono w ten sposób możliwość dostarczania do elektrowni, elektrociepłowni i innych użytkowników dobrej jakości miałów, co było od lat postulatem energetyki. Jednak zainteresowanie użytkowników wzbogacaniem węgla skończyło się, gdy dostarczany węgiel zaczął uzyskiwać parametry gwarancyjne poszczególnych kotłów. Spalanie jeszcze lepszego jakościowo węgla nie przynosiło już dalszej poprawy efektów technologicznych i ekonomicznych.
Produkcja czystych węgli zatrzymała się na poziomie jakości odpowiadającej posiadanym przez energetykę kotłów. Niestety do spalania nadal trafiają węgle zawierające mniejsze lub większe ilości ziarn czystego kamienia. Kamień ten trafia do węgla w trakcie eksploatacji (przybierki stropu i spągu, wkładki kamienne w pokładach) a czasami podczas transportu podziemnego urobku z robót przygotowawczych. Nie ma potrzeby zwracać uwagi na to, że kierowanie kamienia do procesów spalania jest nonsensem technologicznym
i ekonomicznym.
Analizy efektywności użytkowania węgla w energetyce prezentowane już na III Międzynarodowym Kongresie Przeróbki Węgla obradującym w Liege w 1958 roku pokazują skutki stosowania węgli gorszej jakości. Zainteresowanych odsyłam do materiałów kongresowych. Podsumowując rozważania autorów ww. Kongresu można stwierdzić, że wartość użytkowa węgla przeznaczonego do celów energetycznych zależy
od jego wartości opałowej oraz od zawartości balastu. W praktyce przyjmuje się, że wartość użytkowa
1 kalorii ciepła zawartego w paliwie obniża się proporcjonalnie do obciążenia tej kalorii popiołem i wilgocią. Wielkość tę wyraża się w gramach popiołu (lub w gramach wilgoci) na megakalorię ciepła (w tamtym czasie wartość opałową nie podawano tak jak obecnie w megadżulach). Paliwo staje się bezwartościowe dla użytkownika w następujących przypadkach: gdy węgiel nie zawierający wilgoci ma zapopielenie w granicach 250 do 300 g/Mcal lub gdy węgiel bezpopiołowy ma zawilgocenie w granicach 1700 do 1800 g/Mcal. Zwiększenie zawartości popiołu o 1 g/Mcal powiększa o 0,12% nakłady inwestycyjne na każdy 1 MW mocy zainstalowanej, natomiast zwiększenie zawartości wilgoci o 1 g/Mcal zwiększa te nakłady o 0,3%.
Ze wzrostem o 1 g/Mcal zawartości wilgoci o 1 g/Mcal zwiększa te nakłady o 0,3%. Ze wzrostem o 1 g/Mcal zawartości wilgoci lub popiołu zużycie paliwa na 1 kWh wytworzoną brutto wzrasta o 0,3%.
Jakość węgli kamiennych opisywana jest zespołem krzywych wzbogacania. Obejmują one krzywe zawartości popiołu, krzywe wartości opałowych, krzywe zawartości siarki itd. Krzywe wzbogacania pokazują jak zmieniają się parametry jakościowe koncentratu wzbogacanego przy różnych gęstościach rozdziału węgla surowego na koncentrat i odpady. Węgle pochodzące z różnych pokładów posiadają odmienne, właściwe sobie krzywe wzbogacania. Z tego też względu związki pomiędzy zawartością popiołu a wartością opałową trzeba badać indywidualnie dla każdego węgla. Krzywe wzbogacania, nazywane czasami krzywymi charakterystyki technologicznej węgla, pokazują, jakie są możliwe do osiągnięcia parametry jakościowe koncentratów (produktów handlowych) uzyskiwanych w trakcie procesów wzbogacania węgla.
W tablicy 1 zestawiono, przykładowe dla 16 kopalń, wyniki badań i analiz jakości koncentratów węgla otrzymanych podczas procesu wzbogacania mającego na celu usunięcie wyłącznie ziarn czystego kamienia. Czyste ziarna kamienia mają przeciętną gęstość powyżej 2,5 g/cm3. W warunkach przemysłowych trudno jest uzyskać gęstości rozdziału powyżej 2,0 g/cm3. Zakładając taką graniczną gęstość rozdziału mamy gwarancję usunięcia z węgla surowego wszystkich ziarn czystego kamienia a także części ziarn przerostów. Analizując dane zawarte w tablicy 1 łatwo zauważyć, że odkamienione produkty handlowe węgla energetycznego zawierają od ok. 6,6% do 12,3% popiołu. Tylko w jednym przypadku zawartość popiołu sięgała 18%.
Wzrasta też ich wartość opałowa. Interesujące, z punktu widzenia użytkowników, jest porównanie obciążenia popiołem jednej megakalorii w przypadku spalania. węgli surowych i spalania koncentratów.
Tablica 1. Parametry jakościowe węgla surowego, parametry jakościowe koncentratu po usunięciu ziarn czystego kamienia (frakcja +2,0 g/cm3) oraz wskaźniki obciążenia popiołem jednostki ciepła.
|
Nr KWK
|
Węgiel niewzbogacony (surowy) |
Węgiel wzbogacony (koncentrat) |
||||||
|
|
Wychód produktu handlowego % |
Zawartość popiołu, % |
Wartość opałowa, kJ/kg |
Wskaźnik g popiołu/ /Mcal |
Wychód produktu handlowego % |
Zawartość popiołu, % |
Wartość opałowa, kJ/kg |
Wskaźnik g popiołu/ /Mcal |
|
1. |
100,00 |
34,69 |
18 619 |
77,75 |
64,90 |
12,19 |
27 634 |
18,46 |
|
2. |
100,00 |
31,61 |
18 251 |
72,50 |
74,56 |
18,00 |
23 170 |
32,52 |
|
3. |
100,00 |
31,27 |
16 151 |
81,03 |
68,38 |
11,02 |
22 889 |
20,15 |
|
4. |
100,00 |
30,83 |
20 644 |
62,53 |
68,30 |
8,82 |
29 386 |
12,56 |
|
5. |
100,00 |
25,64 |
22 485 |
47,75 |
74,10 |
6,95 |
29 404 |
9,90 |
|
6. |
100,00 |
25,55 |
20 125 |
53,15 |
76,30 |
8,97 |
25 515 |
14,72 |
|
7. |
100,00 |
24,00 |
20 649 |
48,66 |
81,60 |
12,34 |
24 814 |
20,82 |
|
8. |
100,00 |
23,93 |
23 014 |
43,53 |
75,30 |
10,41 |
28 493 |
15,30 |
|
9. |
100,00 |
23,43 |
21 607 |
45,40 |
73,70 |
6,61 |
29 103 |
9,51 |
|
10. |
100,00 |
23,36 |
20 261 |
48,29 |
77,75 |
7,42 |
25 736 |
12,07 |
|
11. |
100,00 |
23,03 |
23 603 |
40,86 |
84,00 |
12,25 |
27 678 |
18,53 |
|
12. |
100,00 |
22,73 |
17 321 |
54,94 |
74,55 |
7,54 |
22 889 |
13,79 |
|
13. |
100,00 |
20,02 |
21 985 |
38,13 |
84,78 |
9,55 |
25 821 |
15,48 |
|
14. |
100,00 |
19,46 |
23 269 |
35,01 |
85,45 |
9,64 |
26 880 |
15,02 |
|
15. |
100,00 |
15,78 |
26 529 |
24,91 |
92,30 |
10,64 |
28 620 |
15.56 |
|
16. |
100,00 |
13,25 |
22 937 |
24,19 |
91,22 |
7,12 |
24 931 |
11,96 |
Prowadząc więc tylko proces odkamienienia węgla surowego uzyskujemy stosunkowo czyste węgle. Pamiętając, że w energetyce zużywa się węgle zawierające średnio 21% popiołu, nasuwa się wniosek,
że podczas produkcji energii w naszym kraju nie wykorzystywane są możliwości, jakie daje wzbogacanie węgli. Do spalania nie kieruje się czystych węgli a więc nie jest realizowany pierwszy kierunek Technologii Czystego Węgla. Ten etap CCT mamy jeszcze do rozwiązania. Z tego też względu należy krajowe zamiary wprowadzenia programu Technologii Czystego Węgla opracować w kompleksowy sposób rozpoczynając
go od procesów przeróbki i wzbogacania węgla.
Należy tu dodać, że w naszym kraju wykonano wiele badań pokazujących efekty spalania węgla o różnej jakości. Rozmiary artykułu nie pozwalają jednak na ich przedstawienie.
3. PRZERÓBKA MECHANICZNA - OCZYSZCZANIE WĘGLA PRZED SPALANIEM
Przygotowanie czystego węgla do spalania odbywać się może na kilku etapach. Etap pierwszy obejmuje klasyczną przeróbkę, etap drugi obejmuje dodatkowe czynności i procesy poprawiające parametry jakościowe wstępnie wzbogaconego węgla, etap trzeci to głębokie wzbogacanie węgla.
3.1. Procesy klasycznego wzbogacania węgla
Pierwszy etap „tworzenia czystego węgla” oparty jest na klasycznych metodach jego wzbogacania.
Węgiel surowy (urobek węglowy) poddawany jest procesom przeróbczym, które w cyklach wzbogacania uwzględniają usuwanie skały płonnej i wysokopopiołowych przerostów w separatorach cieczy ciężkiej,
w osadzarkach, w cyklonach wodnych, w separatorach zwojowych oraz za pomocą flotacji. Układ technologiczny procesu przeróbczego, dobór poszczególnych metod wzbogacania, a nawet urządzeń uwarunkowany jest właściwościami (tzw. technologicznymi) poszczególnych kierowanych do przeróbki węgli. Kryterium decydującym jest stworzenie możliwości jak najdoskonalszego oczyszczania węgla surowego,
a więc pełne odkamienienie urobku oraz usunięcie jak największej ilości wolnych ziarn pirytu.
Klasyczne metody wzbogacania są, poza metodami flotacyjnymi, najtańszym sposobem zmniejszenie emisji zanieczyszczeń do atmosfery. Ma to znaczenie dla producenta ze względu na koszt pozyskania produktów handlowych. Ma też znaczenie dla użytkownika, który względnie tanio kupić może paliwo o parametrach jakościowych dopuszczających je do spalania przyostrych limitach emisji polutantów.
Stopień oczyszczenia z popiołu i siarki węgla wzbogaconego na tym etapie jest różny dla różnych kopalń. Zależy to od sposobu związania domieszek mineralnych z masą organiczną węgla oraz od procentowego udziału siarki organicznej i siarki pirytowej. Ponadto istotne jest, w jaki sposób związana jest siarka pirytowa z ziarnami urobku, tzn. czy tworzy zrosty z węglem, ze skałą płonną czy też są to uwolnione ziarna pirytowe.
Poziom techniczny wyposażenia zakładów przeróbczych w maszyny i urządzenia oraz zakres wzbogacania zależą od typu węgla; im wyższy typ węgla, tym z reguły szerszy zakres jego wzbogacania i bardziej nowoczesne maszyny.
Zdolności produkcyjne zakładów przeróbczych i ich sekcji technologicznych są wykorzystywane w zależności od potrzeb rynkowych. Ogólnie można stwierdzić, że stopień wykorzystania zdolności produkcyjnych
w zakresie wzbogacania węgla jest niezadawalający.
To co najbardziej odróżnia krajowy poziom przeróbki mechanicznej węgla kamiennego od poziomu światowego, sprowadza się do następujących zagadnień:
– W zagranicznych zakładach przeróbki mechanicznej węgla, zgodnie z zasadą osiągania maksymalnego zysku w procesach wzbogacania węgla, dąży się do maksymalnego odzysku substancji węglowej poprzez pogłębienie mechanicznego wzbogacania węgla.
– Zagraniczne zakłady przeróbki mechanicznej węgla kamiennego wyposażone są w nowocześniejsze
i bardziej wydajne maszyny przeróbcze o wysokiej pewności ruchowej. Wprowadzając automatykę procesową można bardzo poważnie ograniczyć zatrudnienie w zakładach przeróbczych. Standardowe zatrudnienie w zakładach przeróbczych wynosi zaledwie kilka osób na zmianę i jest wielokrotnie mniejsze
niż w naszych zakładach przeróbczych.
Aktualny poziom przeróbki mechanicznej węgla kamiennego w Polsce jest z jednej strony odbiciem potrzeb odbiorców węgla, a z drugiej strony jest odbiciem poziomu technicznego produkcji maszyn przeróbczych,
a także możliwości importu tych maszyn.
Oceniając ogólnie można stwierdzić, że poziom ten odniesiony do konkretnych zakładów przeróbczych jest mocno zróżnicowany. W nowych zakładach przeróbczych poziom przeróbki mechanicznej węgla nie odbiega od poziomu światowego. W starych zakładach przeróbczych opóźnienie w stosunku do nowych zakładów ocenić można na kilkanaście lat.
3.2. Dodatkowe procesy przygotowania czystego węgla
Drugi etap „tworzenia czystego węgla” oparty jest na różnych metodach, w tym uśredniania, selektywnego rozdrabniania, tworzenia mieszanek. Etap ten stosowany powinien być wówczas, gdy węgiel wzbogacony metodami klasycznymi podczas spalania przekracza dopuszczalne limity emisji polutantów. Dotyczy to także węgli, których czystość urobku (węgla surowego) nie wymagała poddawania go procesom wzbogacania.
W praktyce operacjom takim poddawane są koncentraty węgli kamiennych.
W tej grupie działań zarysowują się podane poniżej kierunki dopasowywania parametrów do wymagań odbiorców:
– Uśrednianie parametrów jakościowych (CoaL Switching) – możliwe jest łączenie węgli o różnej zawartości siarki tak, aby po spaleniu nie przekroczyć obowiązujących limitów emisji. Warunkiem podstawowym takiego procesu jest zapewnienie stałej dostępności każdego z gatunków węgla dobranych eksperymentalnie. Przy łączeniu węgli przestrzegany być musi odpowiedni reżim uśredniania. Uśrednianie węgli nie może być bowiem dokonywane wyłącznie w celu uzyskania odpowiedniej zawartości siarki. Musi być uwzględniony wpływ łączenia węgli na cały system transportu, przygotowania i spalania węgla. Należy brać pod uwagę transport różnych węgli w celu zapewnienia po zmieszaniu odpowiedniej ilości ciepła. Udziały poszczególnych węgli muszą być skorelowane z pożądanymi parametrami jakościowymi przygotowanej mieszanki. Spowodować to może pewne kłopoty producentów związane z koniecznością zmniejszenia wydobycia węgli bardziej zasiarczonych i o mniejszej kaloryczności.
– Selektywne mielenie (Carefree Coal) – zastosowanie tej metody ma na celu uniknięcie konieczności mieszania (łączenia) węgli lub wprowadzenia odsiarczania spalin. Metoda może być stosowana dla węgli
o dużej zawartości siarki pirytowej i niskiej zawartości siarki organicznej. Węgiel przygotowywany do spalania jest produktem tworzonym w trakcie poddawania węgla specjalnej metodzie kruszenia, a następnie selektywnego mielenia. Wiadomo bowiem, że piryt jako twardszy nie ulega przemieleniu przy odpowiednio prowadzonym procesie rozdrabniania, np. w młynach misowo-kulowych i stosunkowo łatwo jest oddzielić
go od pyłu węglowego. Stosując tę metodę usuwa się około 90% siarki pirytowej i większość popiołu. Koszty usuwania siarki (przeliczone na tonę SO2) są stosunkowo niskie.
– Tworzenie mieszanek węglowo-wapiennych (Self-scrubbing Coal) – zastosowanie tej metody ma miejsce
w przypadku występowania w węglach znacznych ilości siarki organicznej. Technologia polega na odpowiednim kruszeniu wzbogaconego węgla, a następnie selektywnym mieleniu z równoczesnym usuwaniem pirytu. Następnie dodaje się określone ilości zmielonego kamienia wapiennego, a także odpowiednie promotory i katalizatory. Te wszystkie dodatki reagują z pozostałą siarką organiczną, która uwalniana jest podczas spalania. Pozwala to na dodatkowe usunięcie 70–80% SO2. W ten sposób redukuje się od 80 do 90% całkowitej ilości siarki w węglu. Metoda ta może być zastosowana dla każdego rodzaju węgla znajdującego się na rynku. Produkt jest łatwy do przewozu i niepylący.
W praktyce krajowej nie rozwinęły się metody dodatkowego przygotowania „jeszcze czystszego węgla”. Stosowane są w zasadzie tylko klasyczne metody wzbogacania węgla. Prowadzi się prace nad uśrednianiem węgli i próbuje się optymalizować te procesy. Niestety nadal znaczna część miałów energetycznych nie jest wzbogacana co ogranicza rozważania o selektywnym mieleniu czy tworzeniu mieszanek węglowo-wapiennych.
W praktyce krajowej nie rozwinęły się metody dodatkowego przygotowania „jeszcze czystszego węgla”. Stosowane są w zasadzie tylko klasyczne metody wzbogacania węgla. Prowadzi się prace nad uśrednianiem węgli i próbuje się optymalizować te procesy. Niestety nadal znaczną część miałów energetycznych nie jest wzbogacana co ogranicza rozważania o selektywnym mieleniu czy tworzeniu mieszanek węglowo – wapiennych.
3.3. Głębokie wzbogacanie węgla
W celu osiągnięcia bardzo wygórowanych limitów emisji tlenków siarki prowadzone są (także w ramach Technologii Czystego Węgla) w USA, a także w innych krajach, szeroko zakrojone badania nad wykorzystaniem niektórych znanych w przeróbce mechanicznej metod do procesu tzw. głębokiego wzbogacania.
Bardzo głębokiemu wzbogacaniu poddawane są koncentraty węglowe lub węgle surowe o dobrych parametrach jakościowych. Węgiel kierowany jest do kruszenia, często selektywnego, w celu rozluzowania (uwolnienia) drobnych i bardzo drobnych wpryśnięć skały płonnej, w tym także bardzo drobno uziarnionych pirytów. Tak przygotowany materiał poddawany jest wzbogacaniu metodami: flokulacji selektywnej, aglomeracji, aglomeracji selektywnej, flotacji i innymi, np. ługowanie bakteryjne, wzbogacanie w ciekłym dwutlenku węgla. Większość tych procesów wymaga ściśle określonego reżimu technologicznego, a także odczynników o odpowiednich właściwościach (te są najczęściej tajemnicą firmową).
Wymienione powyżej procesy są w Polsce znane i prowadzone są ich badania – niestety nie
w kompleksowym programie czystych technologii węglowych. Krajowi badacze w niektórych z wymienionych powyżej technologii mają osiągnięcia porównywalne, a w kilku przypadkach lepsze niż rezultaty amerykańskie.
Do technik oczyszczania węgla przed spalaniem należy zaliczyć także produkcję mieszanek (zawiesin) węglowo-wodnych (Coal-Water Fuels). Zawiesiny węglowo-wodne uważane są za paliwo alternatywne
do ropy i gazu. Tworzenie tych mieszanek jest możliwe po wcześniejszym uzyskaniu bardzo czystego węgla. Pilotowe zakłady produkujące zawiesiny węglowo-wodne obejmują także sekcje przygotowania czystego węgla. Ważne tu jest zarówno odpowiednie rozdrabnianie, jak i dalsze wzbogacanie – i to najczęściej dostarczanych koncentratów węglowych. Przykładowa instalacja firmy Babcock and Wilcox obejmuje następujące urządzenia: bębnowy młyn kulowy, młyn kulowy z mieszadłami Netzscha (mikronizacja węgla), ruchome zbiorniki obciekowe, tarczowe filtry rotacyjno-próżniowe, mieszarki high-shear (ze ścinaniem), flokulatory, sita wibracyjne, zestaw flotacyjny, zbiorniki z mieszarkami do sporządzania zawiesiny węglowo-wodnej oraz aparaturę pomiarowo- kontrolną. Prace nad tworzeniem mieszanek węglowo-wodnych wynikają z dwóch powodów. Jednym jest możliwość zwiększenia wydajności kotła oraz zmniejszenie emisji tlenków siarki, drugim zaś wyeliminowanie niestabilnej podaży ropy z zagranicy. Szacuje się obecnie, że przy wysokich cenach za baryłkę ropy zawiesiny węglowo-wodne mogą być w przyszłości konkurencyjne na rynku paliw przez długi czas.
Przewiduje się także wprowadzenie innych metod głębokiego wzbogacania (wzbogacanie chemiczne np. Gravimelt, fizyczne i biologiczne). Nowe techniki wzbogacania mają na celu zwiększenie atrakcyjności poszczególnych węgli przez jak największe obniżenie zawartości popiołu i siarki.
PODSUMOWANIE
Analiza amerykańskiego programu Technologie Czystego Węgla pokazuje jak niezwykle ważne jest współpracowanie na stykach różnych dyscyplin wchodzących w skład gospodarki paliwowo-energetycznej.
Zmniejszenie emisji zanieczyszczeń rozwiązywane winno być w sposób kompleksowy, a eliminacja popiołu
i siarki odbywać się powinna na każdym etapie pozyskiwania i przetwarzania węgla.
Na podstawie porównywania stanu badań w USA i w Polsce w zakresie oczyszczania węgla przed spalaniem należy stwierdzić, że mamy porównywalne metody wstępnego wzbogacania, brak jednak środków kapitałowych na ich upowszechnienie. W projektowaniu zakładów przeróbczych większy nacisk należy położyć na dostosowanie proponowanych technologii do indywidualnych własności poszczególnych węgli
w celu maksymalizacji stopnia odpopielenia i odsiarczenia węgli.
Produkcja czystych węgli jest uzależniona przede wszystkim od żądań jakościowych odbiorców węgla kamiennego. Jeżeli nie będą oni zainteresowani zakupami czystego węgla to taki węgiel nie będzie produkowany przez kopalnie.
Istnieją możliwości techniczne i technologiczne przygotowywania przez zakłady przeróbcze czystego węgla do spalania. Brakujące moce przeróbcze łatwo jest uzupełnić.
Krajowy węgiel kamienny w złożach jest dobrej jakości. Badania wykazują, że wystarczy z węgla usunąć ziarna czystego kamienia, aby otrzymać produkty handlowe o zawartości od 7% do 12% popiołu (w rzadkich przypadkach powyżej 16% popiołu). Możliwe też jest głębsze wzbogacanie węgla metodami klasycznymi pozwalające osiągnąć koncentraty (z niektórych kopalń) o zawartości popiołu od 4% do 6%. Ale na węgle takie będzie obecnie bardzo małe zapotrzebowanie.
W Polsce problem uzyskiwania czystych węgli, że względów rynkowych, zatrzymał się na etapie klasycznego wzbogacania (odkamieniania węgli). Ostatnio tworzy się mieszanki węgla surowego i węgla wzbogaconego. Nie ma to na celu przygotowania czystego węgla, lecz dostosowanie produktów handlowych do potrzeb rynku.
W praktyce krajowej nie rozwinęły się metody dodatkowego przygotowania „jeszcze czystszego węgla”.
Poza wstępnymi próbami tworzenia zawiesin węglowo-wodnych brak większych sukcesów. Problemy uśredniania węgli nie wyszły w zasadzie poza prymitywne mieszanie, i to w dodatku niewzbogaconych węgli, bez optymalizacji procesu. Nie wzbogacanie miałów energetycznych wyklucza jakiekolwiek rozważania
o selektywnym mieleniu czy tworzeniu mieszanek węglowo-wapiennych. Na ten zakres koniecznych prac należy zwrócić uwagę.
Krajowe osiągnięcia w zakresie flotacji węgli energetycznych, a zwłaszcza aglomeracji i flokulacji selektywnych, stawiają Polskę jako równorzędnego partnera realizującego tę problematykę badawczą. Należy jednak pozyskać odpowiednie środki finansowe na kontynuację i rozwój tych metod, aby w przyszłości nie znaleźć się w tyle za innymi, co wielokrotnie już się zdarzało
w przeszłości.
Przyszłością, i to prawdopodobnie dość odległą, będzie przejście do kolejnego etapu produkcji czystych węgli do spalania. Produkcja bardzo czystych węgli (w rozumieniu amerykańskiego programu Clean Coal Technology) zależeć będzie od zmiany nastawienia użytkowników węgla.
W najbliższych latach nie będzie to jednak działalność na większą skalę. Wydaje się, że najwyższy czas rozważyć celowość utworzenia w Polsce kompleksowego programu badawczego dotyczącego technologii czystego węgla, a obejmującego wszystkie cztery kierunki realizowane lub już zakończone w amerykańskim programie Clean Coal Technology. Jest to szczególnie pilne w zakresie pierwszego etapu programu amerykańskiego, tzn. oczyszczania węgla przed spalaniem, gdzie możliwe jest wdrożenie krajowych technologii opartych na zrealizowanych już programach badawczych.
LITERATURA
- III Międzynarodowy Kongres Przeróbki Węgla. Bruksella – Liege. 1959, (referaty: Blas E., Peter G.,
Lemke K., Van der Grinten, Ligny I., Haumont H., Nonat L., Van Os W., Heerman P.G.). - Womack E.A.: United States Clean – Coal Technologies. Asia – Pacific Coal Technology Conference, Honolulu, Hawaii 1989.
- Affordable Solutions for Clean Electric Power. Mat. Inf. Custom Coals International, Pitsburgh 1990.
- Clean Coal Technology Demonstration Program. Program Update 1990. U.S. Department of Energy, February 1991.
- CoaJ-Water-Fuel Pilot Plant. Prospekt Alliance Research Center. Babcock and Wilcox.
- Racley J.M., Womack E.A.: Coal – Retrofitting and Repowering for Future Use. First World Coal Institute Conference. The Queen Elizabeth Conference Centre, London, England 1991.
- Sablik J.: Technologia czystego węgla – amerykański program przeciwdziałania skażeniu powietrza w wyniku utylizacji węgla w energetyce. Przegląd Górniczy 1991, nr 5.
- Blaschke W.: Technologie czystego węgla. Przygotowanie czystego węgla do spalania. Mat. Symp. nt. „Kierunki modernizacji górnictwa”, Zeszyt IV, Wyd. Centrum PPGSMiE PAN, Kraków 1991.
- Blaschke W.: Technologie czystego węgla. Energetyka, nr 2, 1992.
- Blaschke W., Mokrzycki E., Blaschke S.A., Grudziński Z., Lorenz U.: Clean Coal Technology in Poland – Problem of Pre-Combustion Coal Benefication. Proceedings of the 5th International Energy Conference – Energex ’93, Volume IV, Wyd. Korea Institute of Energy Research, Seoul, Korea, 1993.
- Blaschke W., Lorenz U., Grudziński Z.: Przeróbka mechaniczna węgla a ekologia. Wiadomości Górnicze, nr 5, 1995.
- Hycnar J.J., Mokrzycki E., Blaschke W. i in.: Technologie czystego węgla – odsiarczanie
i demineralizacja za pomocą silnych zasad. Studia, Rozprawy, Monografie, nr 40, Wyd. Centrum PPGSMiE PAN, Kraków 1995. - Blaschke W., Gawlik L., Noras L.: Coal Mining in Poland in the Aspect of Present and Environmental Regulation. Proceedings of the Fourth International Conference on Environmental Issues and Waste Management in Energy and Mineral Production – SWEMP ’96. Cagliari, Italy, 1996.
- Blaschke W., Gawlik L., Lorenz U., Mokrzycki E.: Environment Protection in the Program of Polish Coal Mining Industry Reform. Sbornik referatu 10, Mezinarodni Konference Hornicka Ostrava nt. „Utlum, likvidace, historie a tradice uhelneho hornictvi”, Ostrawa, Czechy, 2000.
- Blaschke W., Nycz R.: Clean Coal Preparation Barriers in Poland. Proceedings of the International Workshop on Clean Coal Use – a Reliable Option for Sustainable Energy, Vol. 1, Wyd. GIG, Szczyrk 2001.
- Blaschke W., Nycz R.: Clean Coal Preparation Barriers in Poland. Proceedings of the 9th International Energy Conference – Energex 2002, Applied Energy, Vol. 74, Elsevier Science Ltd, 2003.
- Blaschke W., Nycz R.: Problemy produkcji czystych energetycznych węgli kamiennych. Zesz. Nauk. PoJ. Koszalińskiej, Inżynieria Środowiska, Nr 21, Koszalin 2003.