Νέες Τεχνολογίες Αξιοποίησης Ορυκτών Στερεών Καυσίμων

Μέγεθος: px

Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "Νέες Τεχνολογίες Αξιοποίησης Ορυκτών Στερεών Καυσίμων"

Ἔραστος Βιλαέτης
8 χρόνια πριν
Προβολές:

1 Νέες Τεχνολογίες Αξιοποίησης Ορυκτών Στερεών Καυσίμων Dr Κυριάκος Δ. Πανόπουλος Ερευνητής B ΕΚΕΤΑ/ΙΔΕΠ CleanCOALtech: 28 Ιανουαρίου 2015 ΚΑΠΕ 1

2 Στόχοι του μαθήματος Περιγραφή τεχνολογιών με έμφαση στα πρωτοποριακά στοιχεία Στοιχεία κύριων και περιφερειακών νέων τεχνολογιών Παραδείγματα Εφαρμογής σε παγκόσμιο επίπεδο πλεονεκτήματα έναντι συμβατικών τεχνολογιών Ελληνικό ενδιαφέρον εφαρμογής Έρευνα σε παγκόσμιο επίπεδο Στοιχεία έρευνας στην Ελλάδα Βιβλιογραφία Αναγκαίο επιστημονικό υπόβαθρο Ερωτήσεις / Απαντήσεις 2

3 Περιεχόμενα Προηγμένα συστήματα καύσης Μέτρα αύξησης του βαθμού απόδοσης Ρευστοποιημένες κλίνες Ειδικές τεχνολογίες για μείωση περιβαλλοντικών επιπτώσεων Μικτή καύση Χρήσεις παραπροϊόντων καύσης Κατακράτηση και αποθήκευση του CO 2 Κατακράτηση πριν την καύση Κατακράτηση μετά τη καύση Ειδικές κατηγορίες τεχνολογιών Βοηθητικές τεχνολογίες Αεριοποίηση Αεριοποίηση γαιάνθρακα IGCC Καθαρισμός αερίου MEA /MDEA / Selexol / Rectisol Παραγωγή χημικών Παραγωγή συνθετικού φυσικού αερίου (SNG) Τεχνική σύνθεσης Fischer Tropsch 3

4 Βελτιώσεις επί του κύκλου Rankine Αναθερμάνσεις ατμού Υπερκρίσιμα χαρακτηριστικά 4

5 Προηγμένοι ΑΗΣ 5

6 Χαρακτηριστικά σύγχρονων ατμοπαραγωγών Χρήση διπλής ή τριπλής αναθέρμανσης ατμού Πίεση στο τμήμα του «ατμοποιητή» > 221 bar (σε αντίθεση σε < 190 bar για υποκρίσιμα χαρακτηριστικά (Κρίσιμη θερμοκρασία = 373 C) Λέβητες Once-through αντί για χρήση τυμπάνων Προηγμένα κράματα απαιτούνται ειδικά στις περιοχές υπερθέρμανσης Πάχος τοιχωμάτων αυξάνεται στα στάδια υψηλής πίεσης 6

7 Μεταλλουργικοί περιορισμοί στόχος «AD700» - θέματα διάβρωσης 7

8 Ενσωμάτωση καινοτόμων τεχνικών ξήρανσης με ελαχιστοποίηση της απώλειας εξέργειας Ξήρανση με άμεση επαφή ατμού (WTA) 8

9 Καύση σε ρευστοποιημένη κλίνη Μονάδα CFBC 9

10 Καύση σε ρευστοποιημένη κλίνη MW el Ιστορικό : 1 η και 2 η γενεά CFB Υπερκρίσιμα χαρακτηριστικά Αποδόσεις 45-50% Περισσότερες από 900 μονάδες παγκοσμίως Εφαρμογή στην Κίνα λόγω διαθεσιμότητας καυσίμου με αυξημένο σε θείο. Εταιρίες εφαρμογής: Alstom, Babcock,Foster Wheeler Μεγάλη πιθανότητα εφαρμογής της τεχνολογίας στην Πτολεμαίδα V 10

11 Πιλοτικές Ρευστοποιημένες κλίνες αναβρασμού - ανακυκλοφορίας ΙΤΕΣΚ/ΕΚΕΤΑ ΕΜΠ (Κ. Πανόπουλος) E-1 P,T T P,T T WATER COOL HX P,T T E-2 P,T T E-2 P,T Ρ. Κλίνη αναβρασμού 2 kw th Ρ. Κλίνη ανακυκλοφορίας 100 kw th 11

12 Μελέτη Εκπομπών SO Fuel - S conversion to SO2 (%) Colombian 100 % w/w Ca/S = 0.12 Colombian/ MBM, 80/20 % w/w Ca/S = 1 Colombian/ MBM, 90/10 % w/w Ca/S = Volatile charge (gr/m 3 ) CaSO 4 (s) + CO(g) = CaO(s)+SO 2 (g)+co 2 (g) 12

13 Απομάκρυνση οξειδίων θείου 0.2-5% S στο καύσιμο Όρια εκπομπών 200 mg/nm3 για νέους σταθμούς Επιλογή καυσίμου 80% των σταθμών παγκοσμίως χρησιμοποιεί υγρή αποθείωση με έκπληση (scrubbing) των καυσαερίων με ασβεστούχο διάλυμα Ανθρακικό ασβέστιο CaCO3 (s) + H2O + 2SO2 Ca HSO CO 2 CaCO3(s) + 2HSO Ca 2+ + H2O CaSO3-2H2O(s) + CO 2 CaSO3-2H2O(s) + ½O2 CaSO4-2H2O(s) Οξείδιο του ασβεστίου CaO (s)+ H2O Ca(OH)2 (s) SO2 + Ca(OH)2 (s) + H2O CaSO3-2H2O(s) CaSO3-2H2O (s) + ½O2 CaSO4-2H2O(s) 13

14 Απομάκρυνση οξειδίων θείου 14

15 Ενώσεις του Αζώτου Ενώσεις : NOx, N2O, NH3, HCN,... Όριο ΕΕ : 200 mg/m3 STP N-καυσίμου (0.5-3% ξ.β.) μετατροπή κυρίως σε HCN στους γαιάνθρακες καλής ποιότητας οξείδωση προς ΝΟΧ 95% ΝΟ / 5% ΝΟ2, μετατροπή στην ατμόσφαιρα, Σε αναγωγικές φλόγες HCN + NH3 αντιδρούν προς N2 Στους 900 ο C το HCN οξειδώνεται προς Ν2Ο. Θερμικά ΝΟx oξείδωση Ν2 από αέρα Θερμοκρασία Άκαυστες ρίζες CH αναγωγικές φλόγες - μηχανισμός HCN 15

16 Μέτρα μείωσης παραγωγής ΝΟΧ Σταδιοποίηση εισαγωγής αέρα Σταδιοποίηση εισαγωγής καυσίμου Ανακυκλοφορία καυσαερίων Χρήση ειδικών καυστήρων 16

17 Τεχνολογίες μείωσης ΝΟΧ Selective Catalytic Reactor (Εκλεκτικός καταλυτικός μετατροπέας) Εισαγωγή ΝΗ3 Θερμοκρασία ~ C Καταλύτης V 2 O 5 or WO 3 σε βάση TiO 2 SNCR 17

18 Ηλεκτροστατικά Φίλτρα Κατακράτηση σωματιδίων 18

19 Ηλεκτροστατικά Φίλτρα Κατακράτηση σωματιδίων 19

20 Χρήση διαχείριση παραπροϊόντων καύσης Γύψος δομικό υλικό στην Ελλάδα δε χρησιμοποιείται Χρήσεις τέφρας δομικό υλικό, ανάμιξη με τσιμέντο, χρήση στην οδοποιία, παρασκευή άκαυστων υλικών κτλ Εμπλουτισμός σε ανόργανα περιβαλλοντική διαχείριση Τεχνικά χαρακτηριστικά όπως LOI, σύσταση κτλ βάση Ευρωπαϊκών οδηγιών 20

21 Η τεχνολογία της αεριοποίησης (gasification) Η αεριοποίηση είναι η μετατροπή του στερεού καυσίμου σε ένα αέριο καύσιμο που περιέχει H 2, CO, CO 2, CH 4, Ν 2, κτλ Το παραγόμενο αέριο ή αέριο σύνθεσης (syngas) μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε συνδυασμένους κύκλους, για παραγωγής χημικών, δευτερογενών καυσίμων κτλ Η αεριοποίηση πραγματοποιείται με χρήση μέσου όπως αέρας, ατμός ή καθαρό οξυγόνο υποστοιχειομετρικά. 21

22 + Θερμοδυναμική της αεριοποίησης + θερµ ότητα CH xoy N z ν1αέρας ν 2H 2O ν 3CO ν 4CO2 ν 5H 2O ν 6H 2 ν 7N 2 ν 8CH 4 ν C s Εξώθερμες αντιδράσεις: C (s) + O 2 CO 2 ΔH R = -406 kj/mol (4.8) Αντιδράσεις οξείδωσης C (s) + 1/2O 2 CO ΔH R = -123 kj/mol (4.9) H 2 + 1/2O 2 H 2 O ΔH R = -242 kj/mol (4.10) CO + 1/2O 2 CO 2 ΔH R = -283 kj/mol (4.11) C (s) + 2H 2 CH 4 ΔH R = -87 kj/mol (4.12) Υδρογόνωση CO + H 2 O CO 2 + H 2 ΔH R = -42 kj/mol (4.13) Αντίδραση μετατόπισης Ενδόθερμες αντιδράσεις: C (s) + CO 2 2CO ΔH R = +162 kj/mo (4.14) Αντίδραση Boudouard C (s) + H 2 O CO + H 2 ΔH R = +119 kj/mol (4.15) Ετερογενής αντίδραση μετατόπισης CH 4 + H 2 O CO + 3H 2 ΔH R = +206 kj/mol (4.16) Αναμόρφωση μεθανίου Αυτόθερμη : με αέρα ή οξυγόνο, δεν απαιτείται πρόσδοση θερμότητας Αλλοθερμική : με ατμό, απαιτείται πρόσδοση θερμότητας εξωτερικά 22

23 Θερμοδυναμική της αεριοποίησης (2/2) Ισορροπία χημικού συστήματος που περιέχει τα προϊόντα αέρια με ελαχιστοποίηση ενέργειας Gibbs (LaGrange) Περιορισμός: ισολογισμός μάζας στα στοιχεία του συστήματος Ενεργειακός ισολογισμός Σύνθεση αερίο, συνθήκες περιβάλλοντος (%), χωρίς άζωτο H 2 CO CH 4 CO 2 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 Λόγος αέρα (λ) L o o ni H f, feed,298 + nih feed ( T feed, i ) = ni H f, prod, ni H prod ( T ) + i L i N i N i Q in 23

24 Περιγραφή Τεχνολογίας Shell T = 1500 C pressure bar. Texaco GE T = 1450 C pressure 30 / 70 bar. Αεριοποίηση με οξυγόνο Αντιδραστήρες συμπαρασυρμού σημαντική πίεση για χρήση Υψηλές θερμοκρασίες 24

25 Απομάκρυνση Η 2 S, CO 2 με απορρόφηση 25

26 Φυσική απορρόφηση product gas raw gas cooling condensate Scrubber dryer strip gas loaded strip gas regeneration partial pressure p i Physical scrubber Chemical scrubber loading X i 26

27 Χημική απορρόφηση product gas raw gas cooling condensate Scrubber dryer Washing liquid strip steam (optional) cooling heating loaded steam regeneration partial pressure p i Physical scrubber Chemical scrubber loading X i 27

28 Θερμός Καθαρισμός του αερίου K - 86ppmv H 2 S CaCO 3 dechlorinisation Shift considered No shift considered H2S (ppmv wet) CaO desulfurisation Shift considered No shift considered 673K-0.9ppmv H 2 S ZnO desulfurisation HCl (ppmv wet) K - 26ppmv HCl 673K - CaO-0.3 ppmv CaO dechlorinisation Shift considered No shift considered E K - NaHCO3-6*10-8 ppmv NaHCO E Temperature K Temperature (K) 28

29 Περιφερειακές τεχνολογίες Διαχωρισμός αέρα Παραγωγή S (μονάδα Claus) 2 H 2 S + 3 O 2 2 SO H 2 O 2 H 2 S + SO 2 3 S + 2 H 2 O Συνολική αντίδραση: 2 H 2 S + O 2 S H 2 O 29

30 30 Κρυογονική μονάδα διαχωρισμού αέρα Air Separation Unit COM LPC 11 Main heat exchanger HPC Molecular sieves Molecular sieves C1 C2 C3 C4 2 DCAC1 4 DCAC2 P-9 E.C. 30

31 Fischer-Tropsch Σύνθεση Η Σύνθεση FT είναι μία διεργασία χτισίματος αλυσίδων άνθρακα, όπου τα CH 2 ενώνονται με τις υπάρχουσες αλυσίδες: o nco + 2nH [ CH -] + nh O ΔH = 165kJ / mol FT Κατανομή Anderson-Schulz-Flory (ASF) Η ASF περιγράφεται από την εξίσωση log a είναι η πιθανότητα αύξησης της αλυσίδας : α = k n W n HC1 P = n logα + log CO k HC1 PCO + k P HC5 H 2 + k HC6 2 ( 1-α ) α Καταλύτες Fe ή o C bar 31

32 Κύριοι τύποι αντιδραστήρων a) Τριών φάσεων ρευστοποιημένη κλίνη υδαρούς ροής φυσαλίδων (slurry) (περισσότερο κοινοί) b) Σταθερή κλίνη με εσωτερική ψύξη πολλαπλών αυλών 32

33 Παραγωγή συνθετικού φυσικού αερίου (SNG) Particle Filter HX-5 COAL HX-2 HX-1 Water solids ZnS CaS, CaCl2 Gas Cleaning FLUE GAS PUMP AIR-COMPRESSOR Air WG-SHIFT HX-3 HX-4 METHANATION Water HX-6 HX-9 STRIPER HX-8 ABSORBER WATER HX-7 Co2 Separation SNG 33

34 Καθαρισμός του αερίου εν θερμώ K - 86ppmv H 2 S CaCO 3 dechlorinisation Shift considered No shift considered H2S (ppmv wet) CaO desulfurisation Shift considered No shift considered 673K-0.9ppmv H 2 S ZnO desulfurisation HCl (ppmv wet) K - 26ppmv HCl 673K - CaO-0.3 ppmv CaO dechlorinisation Shift considered No shift considered E K - NaHCO3-6*10-8 ppmv NaHCO E Temperature K Temperature (K) 34

35 Τεχνολογίες κατακράτησης CO 2 Προ καύσης (Pre-combustion) Καύση με οξυγόνο (Oxy-fuel) Μετά καύσης (Post-combustion) (Για υπάρχοντες σταθμούς MEA MDEA) α) Τεχνολογίες κύκλων CaO-CaCO 3 β) καύση χωρίς επαφή του οξειδωτικού με ενδιάμεσο ΜΟ Μ 35

36 Πρό καύσης κατακράτηση Το CO 2 κατακρατείται πριν οξειδωθεί το καύσιμο 36 36

37 Καύση με οξυγόνο Το CO 2 κατακρατείται με την καύση 37 37

38 Μετά καύσης απομάκρυνση 38

39 Περιγραφή εγκατάστασης κατακράτης CO 2 με χρήση μικροαλγών στο Niederaussem, RWE 39

40 Τεχνολογία αντιδραστήρων μικροαλγών 40

41 Μεταφορά του CO 2 Συμπίεση πάνω από τη κρίσιμη πίεση Απομάκρυνση νερού κ άλλων συστατικών Μεταφορά με αγωγό ή πλοία σε υγρή μορφή 41 41

42 Αποθήκευση CO 2 Το υγρό CO 2 αντλείται βαθιά στο υπέδαφος Cap rock Deep saline aquifer 700m - 3,000m Cap rock up to 5,000m Depleted oil and gas fields 42 42

43 Χρήσιμη Βιβλιογραφία Combustion and Gasification of Coal (Applied Energy Technology Series) A. Williams Power Generation from Solid Fuels Spliethoff, Hartmut Combustion and Gasification in Fluidized Beds Prabir Basu Gasification, Second Edition Christopher Higman and Maarten van der Burgt Gasification Technologies: A Primer for Engineers and Scientists John Rezaiyan and Nicholas P. Cheremisinoff Ατμοπαραγωγοί Ι + ΙΙ, Ν.Γ. Παπαγεωργίου, Εκδόσεις ΣΥΜΕΩΝ Θερμικοί σταθμοί, Ε. Κακαράς, Εκδόσεις Φούντας, Fluidization Engineering, Second Edition (Chemical Engineering Series) D. Kunii and Octave Levenspiel "Control of pollutants in flue gases and fuel gases" Ron Zevenhoven, Pia Kilpinen 43

44 Ευχαριστώ για την προσοχή σας Ερωτήσεις ; 44

Σχετικά έγγραφα

Συνδυασµός Θερµοχηµικής και Βιοχηµικής

Συνδυασµός Θερµοχηµικής και Βιοχηµικής Εθνικό Κέντρο Έρευνας & Τεχνολογικής Ανάπτυξης Ινστιτούτο Τεχνολογίας & Εφαρµογών Στερεών Καυσίµων (ΕΚΕΤΑ / ΙΤΕΣΚ) Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο Εργαστήριο Ατµοπαραγωγών & Θερµικών Εγκαταστάσεων (ΕΜΠ / ΕΑ&ΘΕ