Spalanie w tlenie

Problem emisji gazów cieplarnianych wzbudza na świecie coraz większe zainteresowanie. Emisja dwutlenku węgla w krajach OECD wyniosła w 1999 r. 23,2 mld t, przy czym aż 60% tej ilości pochodziło ze spalania paliw organicznych. Na wykresach pokazano udziały poszczególnych sektorów gospodarki i paliw w emisji CO2 na świecie. Źródłem trzeciej części światowej emisji tego gazu jest energetyka i właśnie w tym sektorze podejmowane są największe starania w kierunku ograniczania tego zjawiska. Według powszechnego przekonania, emisja dwutlenku węgla przyczynia się w poważnym stopniu do globalnego efektu cieplarnianego. Już 94 państwa ratyfikowały Protokół z Kioto i wiele z nich wprowadzi wkrótce przepisy zmierzające do praktycznej realizacji przyjętych zobowiązań. Stany Zjednoczone, które jak wiadomo nie ratyfikowały Protokołu, wybrały własne podejście do realizacji polityki przeciwdziałania zmianom klimatu. W lutym 2002 r. prezydent Bush ogłosił program zmniejszania emisji gazów cieplarnianych w USA w najbliższych dziesięciu latach. Dokument ten o nazwie Global Climate Change Initiative (GCCI) zakłada pogodzenie dwóch rozbieżnych obecnie celów: redukcji emisji wspomnianych gazów przy zapewnieniu trwałego wzrostu gospodarczego, któremu dotychczas nieodłącznie towarzyszył wzrost zużycia paliw organicznych. Nowa inicjatywa przewiduje zwiększenie nakładów na badania nad usprawnionymi technologiami utylizacji surowców energetycznych, metodami sekwestracji CO2 i zmniejszania emisji pozostałych gazów (m.in. metanu) odpowiedzialnych za efekt cieplarniany. Jednym z elementów prezydenckiej inicjatywy GCCI jest program sekwestracji węgla realizowany przez Departament Energetyki USA (DOE) zmierzający do opracowania i wdrożenia skutecznych metod redukcji emisji dwutlenku węgla w energetyce amerykańskiej. Nowe technologie mają umożliwić eliminację co najmniej 90% związków węgla ze spalin przy wzroście kosztu wytwarzania energii nie większym od 10%. Badania obejmują takie nowatorskie rozwiązania jak układy spalania w tlenie, udoskonalone stosowanie sorbentów, wiązanie dwutlenku węgla w uwodnione związki i układy przemywania spalin. Inny kierunek poszukiwań zmierza do poprawy sprawności istniejących elektrowni węglowych – zastąpienie konwencjonalnych bloków instalacjami na parametry nadkrytyczne zapewnia obniżenie jednostkowej emisji CO2 (czyli przypadającej na wytworzenie 1 MWh) nawet o 25%. W programie naukowo-badawczym Departamentu uczestniczy od dłuższego czasu jeden z największych wytwórców urządzeń energetycznych na świecie – koncern Alstom.
Dotychczasowe wspólne badania wykazały, że najniższe koszty eliminacji emisji dwutlenku węgla zapewnia technologia bloku gazowo-parowego ze zintegrowanym zgazowaniem węgla (zamiana tego paliwa na syngaz ułatwia wychwytywanie CO2). Jednak z uwagi na wysokie nakłady inwestycyjne technologia ta (zwana w skrócie IGCC) nie jest na razie – poza petrochemią – szerzej stosowana. W oparciu o uzyskane wyniki uczestnicy amerykańskiego programu przystąpili do analizy szeregu innych rozwiązań wykorzystujących wspomnianą technologię. Zgromadzone doświadczenia zostaną porównane z inną nowoczesną technologią spalania paliw, a mianowicie z cyrkulacyjnym złożem fluidalnym. W marcu 2003 r. Alstom i DOE planują rozpoczęcie nowej fazy przedsięwzięcia, w ramach której ma powstać pilotowa instalacja energetyczna o mocy 3 MW. Jej testowanie, które potrwa do listopada 2004 r., powinno umożliwić wybór optymalnej metody eliminacji dwutlenku węgla ze strumienia spalin.
Wśród rozpatrywanych rozwiązań korzystne perspektywy posiada technologia spalania paliw w czystym tlenie zamiast w powietrzu. Dzięki temu unika się powstawania tlenków azotu, a produktami spalania są jedynie para wodna i CO2. Parę wodną można bez trudu usunąć z wylotowych spalin pozostawiając strumień „czystego” dwutlenku węgla. Niestety realizacja tego sposobu stwarza szereg trudności praktycznych, z których główną będzie problem utrzymania zadanej temperatury w komorze paleniskowej: spalanie w czystym tlenie podnosi temperaturę płomienia do poziomu niedopuszczalnego dla materiałów konstrukcyjnych kotła. Trudność tę można przezwyciężyć np. przez recyrkulację do 90% spalin do komory paleniskowej. W tradycyjnych kotłach pyłowych rozwiązanie to będzie bardzo skomplikowane i kosztowne, natomiast w kotłach fluidalnych jest możliwe do zrealizowania z uwagi na ciągłą cyrkulację cząstek paliwa, absorbentu i spalin. Strumień ten należy skierować do wymiennika ciepła, a po schłodzeniu zawrócić do komory paleniskowej. Chociaż zastosowanie spalania w tlenie rokuje duże nadzieje w przypadku kotłów fluidalnych, pozostaje jednak problem uzyskiwania wielkich ilości tego czystego gazu. Naukowcy DOE rozpatrują dwa rozwiązania. Pierwsze z nich obejmuje udoskonalenie technologii elektrochemicznego wytwarzania tlenu za pomocą tzw. membran elektrochemicznych umożliwiających obniżenie kosztów produkcji tego gazu o jedną trzecią. Druga metoda wykorzystuje nośniki tlenu, którymi mogą być tlenki np. żelaza. Po utlenieniu żelaza powstały tlenek służy następnie do uwolnienia tlenu w reakcji chemicznej redukcji. Powstały tlen zostaje skierowany do procesu spalania, zaś wolne żelazo - z powrotem do ponownego utlenienia w regeneratorze. Koszty produkcji tak wielkich ilości tlenu będą znaczne, lecz w jeszcze większym stopniu wzrośnie cena wytwarzanej energii elektrycznej wskutek konieczności sprężania dwutlenku węgla w celu skraplania. Zamiana tego gazu na postać płynną jest konieczna dla jego transportu rurociągami. Przewiduje się, że głównymi odbiorcami dwutlenku węgla staną się przemysł chemiczny, a także górnictwo naftowe. Wykorzystanie tego gazu przez wtłaczanie go (oprócz azotu) do podziemnego złoża w celu zwiększenia wydobycia ropy jest nową, perspektywiczną technologią tej branży.

Na podstawie: S. Green „The carbon question”; Power Engineering International 10/2002 opracował Piotr Olszowiec