Czyste Technologie Węglowe - czyli jak zazielenić czarne złoto?
Dr hab. inż. Marcin Lutyński, prof. PŚ
Węgiel brunatny i kamienny pokrywa globalnie ponad 30% światowego zapotrzebowania na energię pierwotną i zaraz po ropie naftowej stanowi drugi największy nośnik tej energii. W przypadku wytwarzania energii elektrycznej udział węgla jest jeszcze większy i stanowi ponad 40%. Pomimo poszukiwania nowych źródeł energii, w szczególności energii odnawialnej, w przeciągu najbliższych kilkunastu lat sytuacja ta nie ulegnie drastycznej zmianie i węgiel stanowił będzie tani, niezawodny i dostępny nośnik energii, którego zasoby są spośród wszystkich paliw kopalnych największe i stosunkowo równomiernie usytuowane na kontynentach. Według najnowszego raportu BP (BP Statistical review 2016), globalne zasoby przemysłowe węgla przy obecnym poziomie jego zużycia wystarczą na 153 lata. Jest to ilość prawie trzykrotnie większa aniżeli zasobów ropy naftowej lub gazu (około 50 lat dla każdego z tych paliw). Oczywiście należy zauważyć, obserwowany, od co najmniej kilku lat, odwrót od węgla, który spowodowany jest coraz bardziej zaostrzonymi normami środowiskowymi, a w szczególności emisjami, CO2, który to gaz przyczynia się do efektu cieplarnianego. Celem tego artykułu jednakże, jest nie tyle dywagacja na temat konsekwencji spalania węgla, ale raczej krótki przegląd sposobów redukcji wszelkich możliwych negatywnych skutków użycia węgla w procesach produkcji energii elektrycznej i cieplnej.
Obserwowane od ponad dwudziestu lat działania mające na celu redukcję negatywnego wpływu spalania węgla na środowisko spowodowały niebywały postęp technologiczny i stworzyły podwaliny nowych kierunków badawczych, w tym tzw. Czystych Technologii Węglowych (z ang. Clean Coal Technologies). Pojęcie i definicja Czystych Technologii Węglowych (CTW) ewoluowało i poszerzało swoje znaczenie wraz z rozwojem samych technologii. W tym krótkim artykule chciałbym pokrótce wymienić wszelkie możliwe aspekty, technologie i metody, które można nazwać Czysta Technologią Węglową. Zazwyczaj, w Polskiej literaturze branżowej często można się spotkać z podziałem CTW na cztery obszary tj.:
• Wydobycie węgla i przeróbka,
• Transport, składowanie i uśrednianie węgla,
• Wykorzystanie węgla (np. w energetyce – spalanie/przetwórstwo)
• Zagospodarowanie „pozostałości” z wydobycia i wykorzystania węgla, (czyli odpadów)
Nie będę się jednak skupiać na szeregowaniu poszczególnych elementów CTW do powyższych kategorii, ale raczej chronologicznie starał się przybliżyć sposoby radzenia sobie z negatywnymi skutkami eksploatacji, przeróbki i spalania lub przetwórstwa węgla.
Pierwotnie, pojęcie Czystych Technologii Węglowych odnosiło się głównie do procesów oczyszczania spalin. Wyróżnić tutaj można przede wszystkim urządzenia do odpylania takie jak cyklony, multicyklony czy też znacznie bardziej efektywne i obecnie szeroko stosowane filtry elektrostatyczne lub filtry workowe. Na początku lat 90-tych zastosowano na szeroką skalę technologie odsiarczania spalin. Istnieje szereg metod tego typu, ale generalnie można wyróżnić trzy rodzaje metod, zależnie od sposobu postępowania z produktami odsiarczania tj. odpadowe, półodpadowe oraz bezodpadowe. Najprostsze metody osiągają skuteczność w granicach 40% (metoda sucha), a najbardziej zaawansowane ponad 99% np. metoda magnezowa, gdzie dwutlenek siarki jest - po wstępnym odpyleniu gazów - absorbowany w zawiesinie tlenku magnezu.
Kolejnym problemem, z którym doskonale radzą sobie Czyste Technologie Węglowe, jest emisja tlenków azotu (NOx). W tym przypadku metody redukcji emisji tlenków azotu możemy podzielić na pierwotne i wtórne. Metody pierwotne polegają przede wszystkim na obniżeniu temperatury spalania, a także na stopniowaniu dostępu powietrza i paliwa. Stosowane są także wirowe palniki niskoemisyjne czy też przedpaleniska cyklonowe. Do metod wtórnych można zaliczyć natomiast metody takie jak Selektywna Redukcja Katalityczna (SCR), a także Selektywną Redukcje Niekatalityczną (SNCR). Istotą metody Selektywnej Redukcji Katalitycznej jest redukcja tlenków azotu za pomocą amoniaku w obecności katalizatora. W efekcie powstaje azot cząsteczkowy oraz woda. W przypadku metody SNCR różnica polega głównie na rezygnacji z zainstalowania katalizatora i wtrysku amoniaku lub mocznika do komory spalania w miejscu, gdzie temperatura spalania wynosi 800-1000°C. Skuteczność tej metody jest niższa i wynosi zaledwie 50-60%. Wszystkie metody wtórne są znacznie droższe w stosowaniu aniżeli metody pierwotne. Wobec Dyrektywy IED tylko metody wtórne (w szczególności SCR) mogą zapewnić odpowiednią redukcję NOx, których zawartość nie powinna być wyższa niż 25 mg/m3 dla bloków o mocy od 100 do 300 MW.
Kolejnym wyzwaniem CTW jest takie wybieranie złoża i sposób przeróbki węgla, aby jakość węgla tj. jego wartość opałowa była jak najwyższa przy jak najmniejszej zawartości siarki oraz popiołu. Obecnie stosowane wysokowydajne kombajny urabiające, które wraz z odpowiednim rozpoznaniem geologicznym złoża, pozwalają na czyste jego wybieranie i minimalizację przedostawania się skały płonnej do urobku. Jednocześnie przeróbka węgla w pełnym zakresie uziarnienia, czyli zastosowanie wydajnych osadzarek, hydrocyklonów, cyklonów z cieczą ciężką i technik flotacji pozwala na efektywne wzbogacenie miałów i mułów węglowych, gdzie minimalizowane są straty części palnych w odpadzie. Udostępnianie pokładów węgla, jego wydobycie, a także przeróbka generuje znaczną ilość odpadów. Szczególnie operacja flotacji powoduje powstawanie odpadów, które różnią się zawartością zanieczyszczeń węglowych, zawartością wilgoci i oczywiście wielkością uziarnienia. Najbardziej oczywistym sposobem poradzenia sobie z tego typu odpadami byłoby ponownie ich zdeponowanie pod ziemią lub wykorzystanie ich w technologiach górniczych. Doświadczenie górnictwa w Polsce, i nie tylko, pozwalają na bezproblemowe wykorzystanie odpadów górniczych w podsadzce hydraulicznej, samozestalanej czy też do likwidacji wyrobisk. Podobnie ma się rzecz z odpadami energetycznymi ze spalania węgla, czyli popiołami lotnymi lub żużlami i piaskami dennymi. Odpady tego typu z powodzeniem stosowane są od lat w budownictwie, drogownictwie czy też, jako profilaktyka pożarowa np. przy doszczelnianiu zrobów zawałowych mieszaninami popiołowo-wodnymi. W przypadku odpadów przeróbczych o pewnej zawartości węgla możliwy jest ponowny odzysk tego cennego surowca lub wykorzystanie w kotłach z łożem fluidalnym. W ostatnich latach coraz większą popularnością cieszą się różnego rodzaju metody związane z brykietowaniem czy pelletowaniem niskiej, jakości węgli z dodatkami poprawiającymi ich wartość opałową i polepszającymi ich własności transportowe. Niektóre rodzaje odpadów węglowych, szczególnie gruboziarnistych (20-150 mm), mogą z powodzeniem być stosowane, jako substytut różnego rodzaju kruszyw budowlanych lub drogowych. Polskie doświadczenia na kopalni „Bogdanka” wskazują także na możliwość wykorzystania łupka przywęglowego do produkcji ceramiki budowlanej.
Wydaje się, że w ostatnich latach, problemem przemysłu węgla kamiennego, jak i brunatnego, nie jest produkcja odpadów stałych czy też wpływ samego górnictwa na środowisko, ale emisja dwutlenku węgla, (CO2), który to gaz obwiniany jest o powodowanie efektu cieplarnianego. Nadmierna emisja CO2 ze stacjonarnych elektrowni węglowych stanowi obecnie największe wyzwanie dla całego sektora energetycznego w Polsce i w Unii Europejskiej. Możliwym rozwiązaniem jest zastosowanie bardziej wydajnych kotłów fluidalnych lub/i o parametrach nadkrytycznych i ultra-krytycznych czy też technologii spalania tlenowego (oxy-spalanie) zintegrowanej z wychwytem CO2. W każdym układzie konwencjonalnej siłowni węglowej jest możliwe zastosowanie technologii CCS (z ang. Carbon Capture and Storage) tj. wychwytywania i składowania CO2. Dostępne technologie wychwytu CO2 ze spalin elektrowni, w szczególności metody aminowe pozwalają na zastosowanie wychwytu CO2 ze spalin istniejących elektrowni węglowych. Cały czas opracowywane są nowe metody wychwytu tego gazu, które pozwalają na bardziej efektywną, a przede wszystkim tańszą separacje tego gazu. Pozostałe metody separacji CO2 jak np. metoda membranowa, metody zmiennociśnieniowe lub zmiennotemperaturowe mają problem ze skalą instalacji i na dużych obiektach ich wydajność może być za mała. Największym problemem w technologiach CCS jest kwestia składowania tego gazu. Wyróżnić tutaj można geologiczne pułapki, takie jak podziemne warstwy wodonośne (solankowe), sczerpane złoża węglowodorów czy też pozabilansowe pokłady węgla. W Polsce potencjał składowania jest relatywnie niski, a zidentyfikowane struktury położone są daleko od źródeł emisji. Na pomoc mogą przyjść tutaj technologie CCU (z ang. Carbon Capture and Utilisation) czyli wychwytu i wykorzystania CO2 do produkcji np. paliw, surowców chemicznych czy też materiałów. Szczególnie produkcja paliw (np. tzw. Power to Gas) jest interesującą opcją dla utylizacji CO2. Problemem pozostaje duża energochłonność takich procesów, gdzie energia powinna pochodzić ze źródeł odnawialnych.
W ostatnich latach, szczególnie w dobie zapotrzebowania na wodór, widać rozwój powierzchniowych instalacji do zgazowania węgla. Instalacje takie znane są od lat jednak dopiero niedawno opracowano na tyle efektywne technologie, które pozwalają na doskonałą separacje produktów zgazowania tj. np. CO2, siarki, odpadów stałych. Wyprodukowany gaz syntezowy, który jest bogaty w wodór może stanowić samodzielne paliwo, jako substytut gazu ziemnego, źródło wodoru czy też baza do produkcji innych surowców chemicznych np. metanolu. Instalacje takie mogą też być alternatywą dla konwencjonalnych bloków węglowych jako technologia bloku gazowo-parowego ze zintegrowanym zgazowaniem paliwa (IGCC – z ang. Integrated Gasification Combined Cycle), gdyż posiadają znacznie większą sprawność dochodząca do 55%. Problemem w przypadku takich instalacji jest stosunkowo duży koszt inwestycyjny. Natomiast zaletą tego rozwiązania jest elastyczność w doborze paliwa i możliwość wykorzystania biomasy czy też paliw odpadowych (np. RDF – refused derived fuel).
Przedstawiony powyżej zwięzły przegląd Czystych Technologii Węglowych pozwala na wyobrażenie sobie kompleksu węglowego, gdzie odpady wykorzystywane są w technologiach górniczych lub deponowane pod ziemią, węgiel spalany jest w wysokosprawnej technologii ultrakrytycznej lub zgazowywany, a produkty spalania lub zgazowania oczyszczane są z tlenków siarki i azotu, dwutlenek węgla jest wychwytywany i składowany lub utylizowany do produkcji paliwa lub surowców chemicznym. Skutki wykorzystania węgla są minimalne, a cały układ jest praktycznie bezodpadowy. Oczywiście ta wyidealizowania wizja wymaga sporych inwestycji ale czy mamy jakąś inną realną alternatywę?