Przetwarzanie węgla do paliw silnikowych

Przetwarzanie węgla do paliw silnikowych
Fot. Adobe Stock. Data dodania: 20 września 2022

Propagowaniu zastępowania oleju opałowego węglem w ogrzewaniu sektora komunalno-bytowego sprzyja oczywiście wzrost cen ropy, ale w naszym kraju dodatkowo perspektywa znacznej podwyżki akcyzy na lekki olej opałowy.

Stosowana argumentacja jest skoncentrowana na aspektach górnictwa węgla kamiennego i jego wysiłkach w stosowaniu wysokiej jakości węgla sortowego w ogrzewaniu szkół, szpitali, domków jednorodzinnych itp. Autorzy niniejszego artykułu - uwzględniając oczywiście uwarunkowania środowiska naturalnego - analizują komplementarnie wszystkie aspekty przemiany węgla kamiennego, przede wszystkim metodą Fischera-Tropscha, do paliw silnikowych - w tym również do najwyższej jakości lekkiego oleju opałowego dla ogrzewania sektora komunalno-bytowego.

Aktualny stan techniki i technologii

Przeprowadzone w kraju pomiary emisji zanieczyszczeń do atmosfery wykazują, że w większości jest to tzw. "niska emisja", pochodząca z ogrzewania sektora komunalno-bytowego. Szczegółowe pomiary z Górnego Śląska [1-2] wykazują, że aż 60% średniorocznej emisji zanieczyszczeń pochodzi z obiektów komunalno-bytowych, przy czym w zimie ten wskaźnik wzrasta aż do 90%.

Należy podkreślić, że energetyka zawodowa została - również w naszym kraju - wyposażona w nowoczesne instalacje oczyszczania spalin, dzięki którym duże elektrociepłownie oraz elektrownie zawodowe spełniają bardzo rygorystyczne, proekologiczne przepisy prawne. W dodatku ich odpady stałe (żużle i popioły) są w ogromnej większości utylizowane - m.in. przez kopalnie, przemysł cementowy itp. Jest to niezwykle ważne przez fakt, że węgle kamienne zawierają śladowe (po kilka ppm - tj. części na milion) ilości radioaktywnych pierwiastków: uranu, toru oraz innych. Dla przykładu można przytoczyć fakt, że w 1982 r. elektrownie węglowe w Stanach Zjednoczonych odprowadziły do środowiska naturalnego 801 ton uranu oraz 1971 ton toru [3]. Jeżeli wielkość spalanego węgla w świecie w 1982 r. utrzyma się w okresie do 2040 r., to w tym czasie odprowadzi się do środowiska 800 tys. ton uranu i 2 mln ton toru. W tym kontekście zastąpienie elektrowni jądrowych przez węglowe - z punktu widzenia redukcji napromieniowania ludności - jest przysłowiową zamianą siekierki na kijek.

W kotłach małej mocy: szpitalach, szkołach, domkach jednorodzinnych itp. nie ma instalacji oczyszczania spalin. Takowe są tu oczywiście zbędne w przypadku stosowania lekkiego oleju opałowego np. "Ekotermu plus" z PKN Orlen, który wg norm europejskich jest faktycznie paliwem ekologicznym, ale tych wymogów nie spełnia węgiel kamienny.

W konstrukcji pieców dla indywidualnego ogrzewnictwa zaszły w świecie w ostatnich dziesięcioleciach ogromne zmiany, uefektywniające proces spalania węgla. Do nich zalicza się przede wszystkim tzw. piece retortowe, z automatyczną lub ręczną obsługą, w których stosuje się technikę współprądowego spalania w strefie złoża. Autor uczestniczył w testowaniu tego typu pieca o mocy 200 kW, w którym spalano wysokiej jakości węgiel sortowy zawierający 0,6% siarki. Uzyskano następujące wyniki: sprawność termiczną - 84,7%, stężenie pyłu w spalinach - 38 mg/m3, wskaźnik emisji pyłu - 22 g/GJ, zanieczyszczenia organiczne zaadsorbowane na pyle - 7 g/GJ, emisja zanieczyszczeń organicznych (całkowita) - 12 g/GJ, emisja SO2 - 105 g/GJ, emisja NOx - 105 g/GJ, emisja CO - 190 g/GJ oraz emisja WWA (wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne) - 34 mg/GJ.

Zaprezentowany typ wysokosprawnego pieca retortowego, z automatyczną obsługą, stanowi ułamek procenta wśród tysięcy eksploatowanych o przestarzałej konstrukcji. Bieda wśród użytkowników indywidualnych kotłów grzewczych jest powodem zakupów najtańszych węgli kamiennych o miernej jakości. Tak będzie u nas w ciągu najbliższych dziesięcioleci. Dlatego dziś relatywnie pokaźna emisja zanieczyszczeń do atmosfery przez indywidualnych użytkowników kotłów, opalanych węglem nadal będzie wysoka ... i będzie owocowała wysokim wskaźnikiem (w stosunku do innych krajów europejskich, w których jest niewiele kotłów indywidualnych na węgiel) zachorowalności na nowotwory.

Do najbardziej szkodliwych substancji, powstających w trakcie spalania węgla kamiennego (i tu tkwi - ekologicznie traktując problem - zasadnicza różnica tego paliwa w porównaniu z lekkim olejem opałowym typu "Ekoterm plus") należą bowiem wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne (WWA). Te w połączeniu z NOx przyczyniają się do występowania smogu fotochemicznego. Uwalniane do atmosfery wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne, występujące w postaci opar, ulegają w części adsorpcji na powierzchni pyłów. Wpływ właśnie jak najmniejszych rozmiarów cząstek z zaadsorbowanymi wielopierścieniowymi węglowodorami aromatycznymi na zachorowalność nowotworową jest wyjątkowo pokaźny. Pyłki o wymiarze do 1 μm najszybciej docierają do płuc. Tu natomiast zaadsorbowane na pyle cząsteczki WWA ulegają desorpcji i - wariantowo - aktywizują się na powierzchni płuc lub zostają wchłonięte przez układ krwionośny. Natomiast większe cząsteczki pyłu z WWA, w granicach 2-5 μm, nie dopływają z powietrzem do pęcherzyków płuc, lecz docierają do układu krążenia poprzez jelitowo-żołądkowy układ pokarmowy.

Wskaźnikiem wielkości koncentracji wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych w atmosferze - z powodu szczególnie silnych właściwości kancerogennych oraz mutagennych - jest stężenie benzo(α)pirenu [B(α)P]. Jego stężenie w powietrzu wynosi około 10% koncentracji wszystkich WWA. Największą emisję benzo(α)pirenu obserwuje się w trakcie spalania węgla kamiennego w kotłach sektora komunalno-bytowego. Zawartość siarki w lekkim oleju opałowym typu "Ekoterm plus" z PKN Orlen w Płocku jest znacznie niższa od wysokiej jakości węgli sortowanych, w których bywa najczęściej 0,4-0,8% S.

Przetwarzanie węgli kamiennych do płynnych paliw silnikowych metodą Fischera-Tropscha

Mając na uwadze informacje o silnie szkodliwych dla zdrowia ludzkiego produktach ubocznych ze spalania węgla kamiennego w indywidualnych kotłach sektora komunalno-bytowego, najwłaściwszym będzie przetwarzanie naszych węgli - poprzez ich tlenowo-parowe zgazowanie - do paliw płynnych metodą Fischera-Tropscha. Wytworzony tą drogą lekki olej opałowy będzie w każdym parametrze jakościowym zgodny z najbardziej rygorystycznymi, proekologicznymi aktami prawnymi Unii Europejskiej, a w dodatku koszty jego produkcji nie będą wyższe od obecnie wytwarzanego z ropy, nabywanej po 60 USD za baryłkę. Za tą koncepcją przemawia w dodatku nie tylko systematyczny wzrost cen ropy, ale kurczenie się jej zasobów. Tymczasem nasze węgle kamienne z nadwiślańskiego regionu (kopalnie "Piast" i "Janina") należą do najbardziej reaktywnych dla procesu ich zgazowania w Europie.

Pierwsza po II wojnie światowej fabryka Fischera-Tropsha na bazie węgla kamiennego pod nazwą Sasol została zbudowana w Południowej Afryce w latach 50. ub. stulecia. Autor pracował w podobnej w tym samym okresie w zakładach Chemicznych "Oświęcim", bazującej na koksie i gazie ziemnym. Jakością olej napędowy (dieslowy) z tej wytwórni przewyższał 65 jednostek liczby cetanowej, czego dziś nie osiąga się w świecie z jakiejkolwiek ropy i to w żadnej rafinerii. One wytwarzają obecnie olej napędowy o liczbie cetanowej około 55.

Proces syntezy paliw płynnych z węgli czy z gazu ziemnego obejmuje następujące etapy:
  • wytwarzanie gazu syntezowego na drodze tlenowo-parowego zgazowania węgli względnie przez katalityczne półspalanie lub katalityczny reforming z udziałem pary wodnej (albo razem oba procesy) gazu ziemnego,

  • odsiarczanie i usuwanie dwutlenku węgla,

  • katalityczna synteza CO + H2 do węglowodorów,

  • destylacja oraz obróbka wytworzonych półproduktów do gazu płynnego, benzyn, paliwa odrzutowego, oleju napędowego, oleju opałowego oraz parafiny.
Dziś opatentowanymi procesami na wytwarzanie paliw silnikowych z mieszaniny CO+H2 dysponują następujące firmy: Mobil, BP Conoco, Rentech, Sasol-Chevren, Mossgas, Shell i Synleum.

Warto przytoczyć koszty inwestycyjne budowy fabryki syntezy Fischera-Tropscha na bazie gazu ziemnego o mocy 50 tys. b/d:
  • tlenownia 135 mln €

  • wytwarzanie i oczyszczanie gazu syntezowego 350 mln €

  • synteza Fischera-Tropscha 250 mln €

  • rozdział półproduktów 210 mln €

  • jednostki energetyczne oraz urządzenia pomocnicze .360 mln €

  • opłaty licencyjne i projektowe 75 mln €

  • pierwszy wkład katalizatorów i chemikaliów 60 mln €

  • rozruch fabryki 40 mln €

  • wydatki nieprzewidziane, 15%230 mln €
razem 1 710 mln €

Gaz ziemny można zastąpić - szczególnie w warunkach Polski i Niemiec - węglami brunatnym lub kamiennym, których zgazowanie tlenowo-parowe prowadzi się pod ciśnieniem 2,5-5,0 MPa i w temperaturze 1350-1600ºC w generatorach Lurgiego, Texaco, Shella i innych. W 1955 r. uruchomiono w Południowej Afryce w Sasolburgu fabrykę Fischera-Tropscha na bazie węgla kamiennego o nazwie Sasol. Koszt przerabianego węgla wynosił tam ok. 21 € za tonę. Jest to słabo spiekający się typ węgla, który zawiera ok. 2% popiołu i 10% wody, jego ciepło spalania wynosi 23 MJ/kg. Dzienna zdolność produkcyjna tych zakładów wynosiła ogółem 800 m3 ciekłych produktów. Dobowe zużycie węgla wynosi 5000 t, z czego 1800 t było przeznaczone dla siłowni, a 3200 t - do tlenowo-parowego zgazowania. Na rys. 1 przedstawiono schemat ideowy otrzymywania paliw syntetycznych w tych zakładach. Nie umieszczono na nim jednostek aparatury, służących do wytwarzania siarczanu amonowego i innych substancji.

Według omawianego procesu węgiel poddaje się rozdrabnianiu, a następnie rozdziela na trzy sortymenty. Węgiel o największym stopniu rozdrobnienia jest używany w siłowni, w której znajdują się cztery kotły; każdy o wydajności 160 t pary wodnej na godzinę. Dziewięć generatorów typu Lurgi z nieruchomym złożem węgla dostarcza 200 tys. m3/godz surowego gazu syntezowego pod ciśnieniem 2,5 MPa. Tlenownia systemu Lindego dostarcza ok. 70 t tlenu godzinowo. Dwutlenek węgla oraz związki siarki usuwa się metodą Rectisol, stosując metanol o temperaturach -15oC oraz -30oC.

Oczyszczony gaz syntezowy znajdujący się pod ciśnieniem 2,5 MPa rozdziela się na dwa strumienie. Jeden z nich płynie do tzw. oddziału syntezy "Arge", gdzie są zainstalowane zmodernizowane, cylindryczne reaktory typu Rurchemie-Lurgi z nieruchomym złożem katalizatora. Drugi strumień gazu płynie do reaktorów typu Kelloge ze złożem fluidalnym, zasilanych również gazem otrzymywanym z konwersji węglowodorów C1 i C2, które są produkowane w oddziale "Arge". W oddziale tym znajduje się pięć reaktorów ze złożem nieruchomym. Każdy z nich zaopatrzony jest w wymiennik ciepła, chłodnicę i dmuchawę do recyrkulacji gazu. Średnica reaktorów wynosi prawie 3 m, wysokość w przybliżeniu 12 m. Do każdego reaktora doprowadza się ok. 20 tys. m3 gazu syntezowego na godzinę. Gaz zostaje skonwertowany do węglowodorów w 50-60%. Na jedną część świeżego gazu syntezowego przypadają trzy części gazu powrotnego, który bywa zawracany sprężarką obiegową. W reaktorach tych zastosowano strącane katalizatory żelazowe. Przewidziany okres pracy katalizatora wynosi jeden rok. Na oddziale znajdują się dwa reaktory oraz aparatura pomocnicza. Każdy oddział syntezy jest wyposażony we własne urządzenia do obróbki półproduktów. Większą część produktów otrzymywanych w oddziale "Arge" stanowią średniowrzące węglowodory, natomiast głównym produktem reaktorów ze złożem fluidalnym jest benzyna. W tabeli 1 zestawiono produkty rafinowane wytwarzane w zakładach Sasol. Liczba oktanowa otrzymywanej benzyny wynosi 95, zaś olej napędowy ma temperaturę płynności -5oC, temperaturę zapłonu 82oC i liczbę cetanową 72. Stosunek ilościowy wytwarzanych produktów może być w pewnych granicach zmieniany parametrami procesowymi w zależności od zapotrzebowania rynku. Do produkcji węglowodorów jako paliw płynnych trzeba dodać 12% związków tlenowych, wśród nich etanol, propanol, butanol, biodiesel, itp. Ponadto wytwarza się w Sasol 35 tys. t/r siarczanu amonu.

Nie można pominąć wariantu wytwarzania paliw silnikowych w Polsce na bazie tańszego węgla brunatnego. Autorzy nie mają wątpliwości, że podjęcie budowy tego typu fabryki nie ominie naszego kraju w okresie najbliższych 20 lat. Wymuszą to rosnące ceny ropy oraz pokaźne zasoby węgli w kilku regionach Polski.

Literatura

K. Matuszek; Agroenergetyka, 21,2,2005 r.
K. Matuszek; Agroenergetyka, 38,3,2005 r.
G Charpak, R.L. Garwin; Feux follets et champignons nuclėaires, Ėditions Odile Jacob, 1997 r., wydawca: Ministerstwo Kultury Francji..
×

DALSZA CZĘŚĆ ARTYKUŁU JEST DOSTĘPNA DLA SUBSKRYBENTÓW STREFY PREMIUM PORTALU WNP.PL

lub poznaj nasze plany abonamentowe i wybierz odpowiedni dla siebie. Nie masz konta? Kliknij i załóż konto!

Zamów newsletter z najciekawszymi i najlepszymi tekstami portalu

Podaj poprawny adres e-mail
W związku z bezpłatną subskrypcją zgadzam się na otrzymywanie na podany adres email informacji handlowych.
Informujemy, że dane przekazane w związku z zamówieniem newslettera będą przetwarzane zgodnie z Polityką Prywatności PTWP Online Sp. z o.o.

Usługa zostanie uruchomiania po kliknięciu w link aktywacyjny przesłany na podany adres email.

W każdej chwili możesz zrezygnować z otrzymywania newslettera i innych informacji.
Musisz zaznaczyć wymaganą zgodę

KOMENTARZE (0)

Do artykułu: Przetwarzanie węgla do paliw silnikowych

NEWSLETTER

Zamów newsletter z najciekawszymi i najlepszymi tekstami portalu.

Polityka prywatności portali Grupy PTWP

Logowanie

Dla subskrybentów naszych usług (Strefa Premium, newslettery) oraz uczestników konferencji ogranizowanych przez Grupę PTWP

Nie pamiętasz hasła?

Nie masz jeszcze konta? Kliknij i zarejestruj się teraz!