środa, 3 czerwca 2015

Autoryzowana Publikacja nr V

Produkcja niskoemisyjnych, bezdymnych 
paliw stałych z odzyskiem energii

Janusz Bronisław Bauerek, Artur Tyszkiewicz

Zespół Autorski WNM
prawnie reprezentowany przez:

ArtMar Artur Tyszkiewicz”
03-592 Warszawa, ul. Samarytanka 3/9

Wprowadzenie:

Przedmiotem publikacji jest sposób wytwarzania, ekologicznego, niskoemisyjnego, bezdymnego paliwa stałego z jednoczesnym odzyskiem energii z procesów wytwarzania i układ do jego realizacji .

Spalanie wielu zazwyczaj zanieczyszczonych rodzajów paliw węglowych skutkuje dużą emisją substancji i energii do atmosfery. Ma to znaczący wpływ na zdrowie ludzi i zwierząt, oraz  na komfort życia i degradację środowiska. Konieczność ograniczania emisji wytwarzanych w procesach spalania SO2, NOx, pyłów i metali ciężkich doprowadziła do alternatywnego stosowania dużo droższych paliw np.  gazowych. Ma to równocześnie niebagatelny wpływ na ograniczenie i zaprzestawanie stosowania dostępnego i tańszego paliwa jakim jest węgiel.
           
Celem prac Zespołu Autorskiego WNM było takie zmodyfikowanie przetwarzanego wsadu na paliwo, aby po spaleniu i przetworzeniu produktu/paliwa w konwencjonalnych źródłach wytwarzania energii ograniczyć emisję SO2, NOx  i  pyłów, w przypadku zastosowania go jako paliwa.

Zasada procesów:
           

Prowadzone w skali przemysłowej prace na różnych materiałach wsadowych, dotyczyły sposobu wytwarzania bezdymnego, niskoemisyjnego, ekologicznego paliwa stałego, w termoreaktorach obrotowych zestawianych szeregowo. Tym sposobem paliwo z węgla o bardzo niskiej jakości  jest przetwarzane w wysokiej temperaturze w pierwszym termoreaktorze obrotowym na entalpię, w wyniku czego uzyskuje się gazy odlotowe, które po wprowadzeniu do kolejnego termoreaktora obrotowego powodują gazyfikację paliwa – wsadowego, poddawanego modyfikacji, rozkładając je na karbonizat stanowiący niskoemisyjne paliwo bezdymne i gaz syntezowy. Następnie gazy odlotowe przechodzą przez układ kotłów i urządzeń odzysknicowych, dodatkowo zasilanych poprzez spalanie uzyskanego w termoreaktorze gazu syntezowego i dalej przez reaktor oczyszczania gazów i spalin. Natomiast energia uzyskana w układzie odzysknicowym, zasila generatory prądu elektrycznego i/lub wymienniki ciepła sieci grzewczej, lub inne procesy produkcyjne. 

Schemat ideowy ciągu technologicznego:


Opis Ciągu technologicznego:

Ø  Materiał opałowy węgla bardzo słabej jakości wprowadzany jest do Termoreaktora P-1, w którym następuje konwersja energii chemicznej na wysokotemperaturową entalpię gazów odlotowych;

Ø  Wysokotemperaturowe gazy odlotowe żaroodpornym kanałem transportowane są do Termoreaktora P-2 tworząc beztlenową atmosferę wyżarzania. Gazy odlotowe przekształcają się w gaz wodny – syntezowy, który transportowany jest do kotła frakcyjnego, gdzie powstaje energia cieplna pary nasyconej, ponadto następuje frakcjonowanie związków chemicznych w tym metali;

Ø  Para nasycona wytwarza energię mechaniczną, a następnie elektryczną w generatorze prądotwórczym;

Ø  Zanieczyszczone po procesowe gazy odlotowe przechodzą przez reaktor PIOS (przemysłowej instalacji oczyszczania spalin), gdzie następuje ograniczenie i redukcja szkodliwych emisji do stężeń wyznaczonych przez Pozwolenie Zintegrowane;

Ø  Końcowym elementem Ciągu technologicznego jest emiter wyposażony w system analizatorów monitoringu ciągłego - MIKROS.

 Przykładowe wyniki prac:

Konwersja energii chemicznej na wysokotemperaturową entalpię gazów odlotowych była prowadzona w Termoreaktorze P-1 na bazie mułu z osadników zakładu przetwórstwa węgla Jastrzębskiej Spółki Węglowej S.A. o parametrach: 

Tabela 1.

L.p.
Wartość w stanie roboczym
Parametr
Uwagi
1
Wartość opałowa - QR
12 MJ/kg

2
Zawartość popiołu - AR
35 %

3
Wilgotność - WR
30 %

4
Zawartość siarki - SR
0,7 %


Poddając termicznym procesom w komorze roboczej (obrotowej) Termoreaktora P-1 materiał o wartości opałowej QR = 12 MJ/kg w ilości 3 Mg = 3000 kg/h, uzyskano strumień gazów odlotowych:

1000 kg węgla => 8000 m3 spalin

3000 [kg/h] x 8 [m3/kg] = 24 000[m3/h]

o entalpii:

3000 [kg/h] x 12 [MJ/kg] = 36 000 MJ/h =>10 MWterm

i wykorzystano do beztlenowego wyżarzania w termoreaktorze P-2.

Uboczne produkty spopielania – UPS z termoreaktora P-1 zawierały w swoim składzie mniej niż 0,2% związków organicznych w tym węgla. Granulacja UPS nie przekroczyła 0,1 mm, natomiast powstałe związki chemiczne w wyniku zastosowania metody pierwotnej redukcji szkodliwych emisji, osady w złożu termicznie przekształcanego mułu, siarczany doprowadziły po wystudzeniu UPS, do powstania produktu o strukturze bardzo słabej jakości cementu. Należy więc nazwać UPS z termoreaktora P-1 URZYTKOWYMI PRODUKTAMI SPOPIELANIA.

Ze względu na wysoką temperaturę UPS za komorą dopalania ~ 1200 oC, systemem śluz odżużlających następowało schładzanie wodą ze sprężonym powietrzem tak, aby w leju spustowym bagrowni osiągnąć temperaturę UPS max. 400 oC. Kierownica wprowadza parę wodną z ogrzanym powietrzem do komory obrotowej termoreaktora P-1. Tym sposobem zwiększa się strumień gazów odlotowych.

1 litr H2O => 1,7 m3 pary (przy tem. > 1200 oC!)

Używając 300 litrów H2O na 1000 kg UPS, uzyskano:

300 litrów H2O x 1,7 m3 pary = 510 m3 pary H2O

w czasie 5 minut, co dało w ciągu 1 h:

12 x 510 m3 pary H2O => 6120 m3/h pary H2O

Uwzględniając czynnik powietrza nawiewowego (w termoreaktorze obrotowym nie obowiązuje współczynnik nadmiaru powietrza λ) i ze zraszania pneumatycznego H2O, uzyskano łącznie dodatkowy strumień:
10 000 m3/h

Czyli całkowita ilość gazów odlotowych z parą wodną wynosiła:

24 000 + 10 000 + 6120 => 40 120 m3/h

Tyle gazów odlotowych o temp. >1250 oC wprowadzano kanałem żaroodpornym do termoreaktora P-2.

Następnie gazy odlotowe z termoreaktora P-1 o temperaturze >1250 oC, kanałem żaroodpornym wprowadzono do termoreaktora P-2. Zadawa przeciwprądowego termoreaktora P-2 w sposób ciągły zasilała jego część obrotową miałem węglowym o parametrach:

Tabela 2.

L.p.
Wartość w stanie roboczym
Parametr
Uwagi
1
Wartość opałowa - QR
24 MJ/kg

2
Zawartość popiołu - AR
18 %

3
Wilgotność - WR
15 %

4
Zawartość siarki - SR
0,9 %

5
Granulacja
0-20 mm



Proces następował w oparciu o beztlenowe wyżarzanie miału węglowego, czyli przeprowadzona była gazyfikacja, która jest zachodzącym w określonej temperaturze procesem  konwersji termochemicznej, z tą jednak różnicą, że jej produktem nie jest ciepło, lecz gaz syntezowy (gaz wodny), który dopiero po dalszym przetworzeniu dostarczał energię. W procesach termoreaktora P-2 uzyskano  gaz syntezowy jako produkt gazowy i pra koksik jako produkt stały.

Ilość gazu syntezowego uzyskana z beztlenowego wyżarzania w ciągu godziny wsadu węglowego w termoreaktorze P-2, wynika z 5%-ego zużycia węgla. Ubytek dotyczył składników chemicznych gazu.

Uzyskiwany gaz syntezowy o średniej wartości opałowej od 16,750 do 18,850 [MJ/m3] jest zaliczany  do gazów węglowych, tj. gazów powstających w wyniku termicznej obróbki węgla.

W ciągu godziny z 12 Mg wsadu w termoreaktorze P-2 wydzieliło się:

12 Mg x 5% = 600 m3/h {gazu syntezowego},

który ulegał reakcją ze związkami chemicznymi ze strumienia gazów odlotowych z termoreaktora P-1. W skład tych związków wchodzi głównie CO2, CO, H2O w postaci pary o znamionach nadkrytycznych. Powstał tym sposobem strumień gazu syntezowego:

600 m3/h + 40 120 m3/h = 40 720 m3/h

40 720 m3/h x 8 MJ/m3 = 325 760 MJ/h =>90,49 MWterm

Oprócz produktów gazowych w termoreaktorze P-2 powstał prakoksik (niskoemisyjne paliwo bezdymne), który jest docelowym produktem handlowym firmy ArtMar. Jego wartość energetyczna zależna będzie w zależności od indywidualnych oczekiwań odbiorców od parametrów węgla wsadowego.. Natomiast granulacja uległa ujednorodnieniu na średnią wartość od 12 do 18 mm.

Po szczegółowych badaniach laboratoryjnych uzyskaliśmy prakoksik o parametrach:

Tabela 5.


L.p.
Wartość w stanie analitycznym
Parametr
Uwagi
1
Wilgoć - Wa
3,0%

2
Popiół - Aa
15,1 %

3
Siarka całkowita - Sta
0,36 %

4
Zawartość węgla - Ca
74,6 %

5
Zawartość wodoru - Ha
4,78 %

6
Zawartość azotu - Na
1,22 %

7
Zawartość tlenu - Oa
1,94%

8
Granulacja
10-25 mm



Wnioski:

Analizując podany przykład prac w skali przemysłowej, technologia opracowana przez Zespół Autorski WNM i jej produkt końcowy – prakoksik, całkowicie rozwiązuje problem „niskich emisji” w przypadku stosowania starego typu kotów w budownictwie mieszkaniowym. Natomiast w skali przemysłowej w zależności od zapotrzebowania kupującego i jego instalacji, oczekiwany produkt regulowany jest parametrami materiału wsadowego beztlenowo wyżarzanego w termoreaktorze obrotowym P-2.

Technologia stwarza przesłanki karbonizacji odmiennych materiałów aniżeli węgiel kamienny. Chcąc jednak prowadzić prace z innymi materiałami, jesteśmy prawnie zobowiązani do realizacji badań z Ośrodkiem naukowym. W jednej z następnych Publikacji zostaną przedstawione wyniki badań przeprowadzone przez Wydział Chemiczny renomowanej Politechniki.

Odzysk energii:

Jak można było zauważyć w Opisie Ciągu technologicznego, niezależnie od przeznaczenia instalacji następuje odzysk energii z procesów termicznych. Oznacza to, że potencjalny Inwestor ponosząc koszty budowy instalacji Ciągu technologicznego do produkcji paliwa, rekompensuje je sobie, ograniczając koszty eksploatacyjne instalacji, które pokrywane są z produkcji energii elektrycznej. Dodatkowo uzyskiwane UPP (Uboczne Produkty Przemysłowe) stanowią materiał handlowy możliwy do wykorzystania w budownictwie przemysłowym. Nie bez znaczenia dla osiągnięcia efektu ekologicznego są także odzyskiwane metale w kotle frakcyjnym, które po przekształceniu stanowią materiał wsadowy do procesów metalurgicznych.

Literatura:


1.    Best Available Techniques Reference Document on the Production of Iron
 and Steel, Institute for Prospective Technological Studies, Seville, 2000 r;

2.     SIKORSKI CZ., KACZMAREK W., OLCZAK CZ.: Perspektywy wdrożenia
           najlepszych technik w zakładach koksowniczych, KARBO 11 (2002)322;

3. OLCZAK CZ., ZAWISTOWSKI J.: Utylizacja odpadów smołowych do wsadu węglowego w zakładach koksowniczych, Koks-Smoła-Gaz, 2(1985)134;