Skomentuj 
Podziel się!
Udostępnij
Twittnij
Wyślij
Drukuj
Koncepcja zintegrowanego układu gazowo-parowego opiera się na wykorzystaniu, jako źródła energii, gazu syntezowego (syngazu)uzyskanego w wyniku procesu zgazowania paliwa (np. węgla) w reaktorze ciśnieniowym. Przed skierowaniem wytworzonego syngazu do komory spalania turbiny gazowej zostaje on oczyszczony. Zanieczyszczenia są więc usuwane przed procesem spalania gazu, a nie - jak w przypadku tradycyjnych technologii węglowych - ze spalin. Część energii zawartej w spalinach na wylocie z turbiny gazowej jest wykorzystywana do produkcji pary w kotle odzyskowym, która następnie oddaje swoją energię w turbinie parowej.
Układy gazowo-parowe zintegrowane ze zgazowaniem paliwa pozwalają osiągnąć znacznie wyższą sprawność (45-55%), w porównaniu do konwencjonalnych elektrowni węglowych (KEW) (ok. 35%).
Dodatkowo układy te są bardziej ekologiczne, charakteryzują się bowiem mniejszym (o ok. połowę) zużyciem wody w porównaniu do KEW, oraz mniejszą emisją NOx, SO2, CO2, spełniającą wymagania UE. Niska emisja zanieczyszczeń wynika właśnie z usunięcia tych zanieczyszczeń z gazu syntezowego przed skierowaniem go do komory spalania turbiny gazowej.
W latach 1994-1998 zostało uruchomionych 5 demonstracyjnych bloków IGCC: Demkolec (Buggenum, Holandia), Wabash River (Indiana, USA), Tampa Electric (Floryda, USA), Puertollano (Hiszpania), Pinon Pine (Nevada, USA). W Tablicy 1 zestawiono podstawowe dane charakteryzujące instalację zgazowania dla w/w układów IGCC [1]. Zastosowano w nich nowoczesne reaktory oparte na następujących technologiach generacji gazu: firmy Stell (Buggenum), reaktora dyspersyjnego Texaco (Tampa Electric), reaktora dyspersyjnego Prenflo (Puertollano), reaktora dyspersyjnego Destec (Wabash River) oraz reaktora KRW (Pinon Pine). Większość z tych układów IGCC, po okresie demonstracyjnym, zaczęła być eksploatowana komercyjnie (Buggenum, Tampa Electroc, Wabash River, Puertollano); tylko projekt Pinon Pine zakończył się niepowodzeniem już na etapie demonstracyjnym. W artykule przedstawiono również trzy komercyjne instalacje IGCC: dwie wybudowane w Japonii oraz jedna czeska, wykorzystująca węgiel brunatny Puertollano IGCC, Hiszpania
Instalacja IGCC Puertollano położona w środkowej części Hiszpanii, rozpoczęła pracę w 1992 r. jako instalacja demonstracyjna w projekcie celowym Komisji Europejskiej finansowanym w ramach Programu Thermie; Działalność komercyjną rozpoczęła w marcu 1998 r. Dane techniczne instalacji IGCC Puertollano:
- paliwo: węgiel + koks naftowy (w proporcji 50:50)
- zużycie węgla: 2600 t/dobę
- dobowa produkcja gazu syntezowego: 4,0 x 106 nm3
- sprawność netto układu 43%
- reaktor zgazowania Prenflo
- czystość tlenu doprowadzonego do generatora: 85%
- ciśnienie w generatorze 2,8 MPa
- temperatura w generatorze 1400-1540oC
- wartość opałowa gazu syntezowego 4,3 MJ/kg
- temperatura spalin na wylocie z turbiny gazowej 1260oC
- moc potrzeb własnych 35 MW
- turbina gazowa Siemens V 94.3 z możliwością spalania syngazu oraz gazu ziemnego
- kocioł trójciśnieniowy z przegrzewem międzystopniowym
- - zgazowanie tlenowe
- tlenownia ASU jest całkowicie zintegrowana z instalacją IGCC.
Instalacja Buggenum, jako jedna z pierwszych demonstracyjnych instalacji IGCC na świecie, została oddana do użytku w 1994 r., a od roku 1998 r. funkcjonowała jako instalacja komercyjna. Dane techniczne instalacji IGCC Buggenum:
- zużycie węgla 2000 t/dobę
- dobowa produkcja gazu syntezowego 4,0 x 106 Nm3
- sprawność netto układu 43%
- reaktor zgazowania Stell
- czystość tlenu doprowadzonego do generatora 95%
- ciśnienie w generatorze 2,8 MPa
- temperatura w generatorze 1400-1540oC
- wartość opałowa gazu syntezowego 4,3 MJ/kg
- temperatura spalin na wylocie z turbiny gazowej 1100oC
- dyspozycyjność 75% (po siedmiu latach eksploatacji)
- turbina gazowa Siemens V 94.2
- kocioł dwuciśnieniowy z przegrzewem międzystopniowym
- zgazowanie tlenowe
- tlenownia ASU jest całkowicie zintegrowana z instalacją IGCC.
- energia zawarta w paliwie 585 MW
- moc turbiny gazowej 156 MW
- moc turbiny parowej 284 MW
- moc potrzeb własnych 31 MW
- moc układu netto 253 MW Zalety układu IGCC Buggenum:
- niska emisja NOx < 10 ppm
- skuteczność usuwania siarki powyżej 99%
- praktycznie zerowa emisja popiołów, chlorków i lotnych metali ciężkich
- brak zrzutu wody odpadowej, jest ona ponownie wykorzystywana w układzie
Instalacja Tampa Electric IGCC na Florydzie, USA, została wybudowana i obsługiwana przez Tampa Electric Company. Instalacja była częściowo finansowana w ramach programu Czystych Technologii Wabash River IGCC, Indiana, USA
Instalacja Wabash River IGCC została wybrana w 1991 r. przez DOE jako projekt demonstracyjny Czystych Technologii Węglowych i miała na celu zwiększenie wykorzystania węgla jako głównego źródła energii. Prace nad instalacją rozpoczęto w 1993 r. i trwały do 1995 r. Okres demonstracyjny trwał do grudnia 1999 r. Węglowych DOE. Instalacja Tampa Electric składa się z trzech jednostek: z instalacji IGCC o mocy 250 MW oraz dwóch prostych obiegów turbiny gazowej o mocy 180 MW. Instalację uruchomiono w 1996 r. Dane techniczne instalacji Tampa Electric IGCC:
- turbina gazowa GE 7FA (GE MS7001FA) przystosowana do spalania syngazu i paliw destylowanych
- instalacja IGCC produkuje 200 ton 98% kwasu siarkowego
- zgazowanie tlenowe (czystość tlenu 95%)
- tlenownia ASU nie zintegrowana z instalacją IGCC
- sposób doprowadzenia węgla - mieszanka wodno-węglowa
- zużycie węgla 2200 t/dobę
- stopień konwersji węgla 95%
- temperatura w generatorze 1315-1430oC
- temperatura na wylocie z turbiny gazowej 570oC
- moc instalacji IGCC 192 MW (syngaz), 160 MW (paliwa destylowane).
- gazogenerator - typu E-gaz/Destec
- turbina gazowa General Electric MS 7001 FA (przy rozruchu stosowany jest olej)
- turbina parowa firmy Westinghouse
- generator pary HRSG (Heat Recovery Steam Generators) - Foster Wheeler
- zgazowanie tlenowe (czystość tlenu 95%)
- tlenownia ASU nie zintegrowana z instalacją IGCC
- - sposób doprowadzenia węgla - mieszanka wodno-węglowa
- - temperatura w generatorze 1038-1370oC
- - temperatura spalin na wylocie z turbiny gazowej 1222oC.
Instalacja Nakoso IGCC o mocy 250 MW położona w Japonii powstała jako projekt demonstracyjny, którego zadaniem było przeprowadzenie serii badań rozpoczętych w 2007 r. W planie jest budowa komercyjnej instalacji IGCC o podwojonej mocy w stosunku do projektu demonstracyjnego, która ma rozpocząć pracę najwcześniej w 2014 r. W instalacji Nakoso IGCC proces zgazowania przebiega przy użyciu powietrza jako utleniacza. Niemniej jednak instalacja posiada moduł ASU, w której produkowany azot służy do transportu mieszanki palnej do gazogeneratora. Moduł ten jest o 75-80% mniejszy w stosunku do typowych tlenowni ASU, wykorzystywanych przy zgazowaniu tlenowym (tlenownia taka zużywa ok. 10% mocy instalacji IGCC). Dane techniczne instalacji Nakoso IGCC:
- turbina gazowa Mitsubishi M701DA (przy rozruchu stosowana jest nafta)
- zgazowanie powietrzem wzbogaconym w tlen
- stosunek powietrze/węgiel w gazogeneratorze wynosi 72
- paliwo: sproszkowany węgiel
- żużel zawiera mniej niż 0,2% niespalonego węgla i jest praktycznie wolny od pierwiastków śladowych (może być wykorzystany przy produkcji materiałów brukowych i betonu kruszynowego)
- temperatura na wlocie do turbiny gazowej: 1200oC
- moc instalacji IGCC: 142 MW turbina gazowa, 110 MW turbina parowa
- sprawność netto instalacji 42%
- przy użyciu TG klasy F (M701F) moc instalacji IGCC wynosiłaby 450 MW przy sprawności 45-46%
- przy użyciu TG klasy G dla komercyjnej instalacji IGCC szacuje się moc 650 MW przy sprawności 48-50%.
Pierwsza komercyjna instalacja IGCC w Japonii oddana do użytku w 2003 r., w której paliwem jest olej resztkowy.
Dane techniczne instalacji Negishi IGCC:
- turbina gazowa Mitsubishi 701F
- zgazowanie tlenowe
- instalacja ASU nie jest połączona z TG po stronie powietrza
- paliwo: asfalt
- stopień konwersji węgla 95%
- temperatura w generatorze: 1300oC
- ciśnienie w generatorze: 70 bar
- współczynnik odzysku siarki: 99,8%
- moc instalacji IGCC: 342 MW.
Instalacja Vresova IGCC znajduje się w Czechach. Dane techniczne instalacji Vresova IGCC:
- turbina gazowa Frame 9E (9171E) (podstawowe paliwo - syngaz, rezerwowe - gaz ziemny)
- gazogenerator Lurgi ze złożem stałym + gazogenerator firmy Siemens (wykorzystuje smołę wyprodukowaną w gazogeneratorach Lurgi)
- zgazowanie tlenowe + para
- paliwo: węgiel brunatny
- ciśnienie w generatorze: 28 bar
- moc instalacji IGCC: 400 MW brutto
- sprawność instalacji IGCC: 50,5% (bez ciepła grzewczego)
Przedstawione w Tablicy 7 dane techniczne układów gazowo-parowych IGCC zasilanych gazem z procesów zgazowania węgli wykazują stosunkowo wysokie sprawności wytwarzania energii elektrycznej (42 - 50%) w zależności od rodzaju zgazowywanego paliwa i mocy zastosowanej turbiny gazowej. Biorąc pod uwagę stopień odsiarczenia spalin oraz wysokie sprawności termiczne, a także wynikający ze składu gazu procesowego wynikowy skład spalin, umożliwiający dość łatwe ewentualne wychwycenie dwutlenku węgla, przedstawione instalacje mają duży potencjał zastosowania. Bardzo wysoka sprawność instalacji IGCC z instalacjami zgazowania węgli kamiennych i węgla brunatnego wytycza kierunek dla budowy podobnych instalacji w Polsce, i zastępowania wyeksploatowanych już elektrowni zawodowych.
Artykuł powstał w wyniku realizacji zadania pt.: "Opracowanie technologii zgazowania węgla dla wysokoefektywnej produkcji paliw i energii elektrycznej" finansowanego przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju w ramach strategicznego programu badań naukowych i prac rozwojowych pt.: "Zaawansowane technologie pozyskiwania energii"
Literatura
1. Ściążko M.: Teraźniejszość i przyszłość zgazowania węgla. Rurociągi 2001, nr 01/02.
2. Rakowski J.: Pierwsze doświadczenia z blokami gazowo-parowymi na gaz z węgla. Energetyka 1998, 7, 282-290.
3. Kehlhofer, R.H., Warner, J., Nielsen, H., Bachman, R.: Combined Cycle Gas & Steam Turbine Power stations. 2nd Edition Pennwell Publishing, Tulsa, Oklahoma, 1999.
4. de Graaf J. D.: Shell Coal Gasification Technology. Available online: http://w3.wtb.tue.nl/fileadmin/wtb/ct-pdfs/Energy_from_Biomas/Lecture_ 2011_gastcollege_Shall.pdf (acessed on 6 June 2012) 5. State of the art IGCC power stations. Document ISV/TMC/10.002. Ansaldo Energia 2010.
6. Kotowicz J.: Układy gazowo-parowe zintegrowane ze zgazowaniem węgla. Rynek Energii 2008, nr 3.
7. Chmielniak T.: Technologie energetyczne. WNT Warszawa, 2008.
8. Méndez-Vigo I., Pisa J., Cortés J., Schellberg W., Karg J.: The Puertollano IGCC plant: Status update. EPRI/GTC Gasification Technologies Conference 1998 - San Francisco, CA, USA.
9. Hannemann F., Schiffers U., Karg J., Kanaar M.: Buggenum Experience and Improved Concepts for Syngas Applications. Presentation dated 28.10.2002. V94.2.
10. DOE - Clean Coal Technology. The Wabash River Coal Gasification Repowering Project. An update Topical report number 20. 2001.
11. Tampa Electric Polk Power Station Integrated Gasification Combined Cycle Project. Final Technical Report. Work Performed Under Cooperative Agreement DE-FC-21-91MC27363 for The US Department of Energy. Tampa Electric Company (TECO), 2002.
12. Low Emission Gas Turbine Technology fot Hydrogen - rich Syngas. IGCC State of the art report a part of EU-FP7 H2-IGCC Sub Project 4. Department of Mech.&Structural Eng.&Material Science. University of Stavanger. Norway, April 2010.
13. Nippon Oil Corporation, www.eneos.co.jp 2013.
15
