CCS technologie typu pre-combustion v podmínkách České Republiky VITVAROVÁ M., NOVOTNÝ V., DLOUHÝ T., HRDLIČKA F. (ČVUT v Praze, Fakulta strojní)
JAKOBSEN J., BERSTAD D., HAGEN B., ROUSSANALY S., ANANTHARAMAN R. (SINTEF ER)
PILAŘ L., HROCH T., VYVADIL J., VLČEK Z. (ÚJV Řež, a. s.)
Kotle a energetická zařízení 2016, 14. – 16. 3. 2016
Studie pilotních technologií CCS pro uhelný blok v ČR - NF-CZ08-OV-1-003-2015 • doba realizace – 1. 1. 2015 – 31. 12. 2016 • celkový rozpočet – 22 669 484,-- Kč • poskytovatel – Ministerstvo financí ČR • hlavní partner projektu – ČVUT v Praze (doc. Tomáš Dlouhý) • další partneři projektu – ÚJV Řež, a.s. (dr. Lukáš Pilař) – SINTEF ER (dr. Jana P. Jakobsen) • Hlavní cíl projektu – komplexní technicko-ekonomické porovnání tří základních metodik pro separaci CO2 integrovanou do energetického zdroje v podmínkách ČR
Úvod – proč využívat technologie záchytu CO2 • Závěrem z klimatické konference v Paříži (prosinec 2015) • pro EU a USA – cíl snížení emisí CO2 o 30/40% do roku 2030 vůči roku 1990 • v návaznosti na plán USA pomocí • zvýšení účinnosti tepelných elektráren • nahrazení části výrobních kapacit uhelných elektráren elektrárnami na zemní plyn • nahrazení starších zdrojů novými zdroji na bázi jaderné či OZE1,2) • Státy EU 28 vyprodukovaly v roce 2010 9,5 %2) světových emisí skleníkových plynů. ?Proč se zabývat CCS? 1) 2)
http://oenergetice.cz/zahranicni/clean-power-plan-prezidenta-obamy-a-jeho-vliv-na-svetovou-energetiku/ http://oenergetice.cz/obnovitelne-zdroje/pariz-2015-zavazky-nejvetsich-producentu-sklenikovych-emisi/
Elektrárny jsou v USA s podílem 31 % největším zdrojem znečištění, Zdroj: U.S. EPA
Technologie záchytu CO2 CCS technologie – pre-combustion
• Proč CCS technologie typu pre-combustion • „vyšší účinnost“ ve srovnání s „klasickou parní“ uhelnou elektrárnou • max. 60% paroplynový oběh x max. 45% parní oběh s nadkritickými parametry
IGCC elektrárna
• návrh IGCC elektrárny vychází z obdobných realizací ve světě a dle doporučení získaných ze zkušeností z provozu elektrárny Vřesová • Základní rozdíly oproti el. Vřesová
• Zplyňovací technologie Shell (1600 °C, 3 MPa) • Quench na 900 °C ochlazeným syngasem za separací popílku • Systém chlazení syngasu před filtry (nutnost ochlazení syngasu na 250 °C) (sytá pára, HP 12,5 MPa, MP 4,5 MPa = procesní) • SGT-2000E (o nominálním výkonu 187 MWe)
Palivo - lignit
Parametr
Jednotka
Složení paliva v surovém stavu
Složení paliva před zplyňováním
Q ir
MJ/kg
16,50
21,99
r
MJ/kg
18,07
23,31
W tr
% hm.
31,00
11,00
Ad
% hm.
13,00
13,00
Ar
% hm.
8,97
11,57
Qs
Složení hořlaviny Cdaf
% hm.
70,4
70,4
Hdaf
% hm.
6,1
6,1
Ndaf
% hm.
1,0
1,0
Odaf
% hm.
20,89
20,89
Sdaf
% hm.
1,61
1,61
• Otázka dlouhodobé dostupnosti potřebného lignitu??
Elektrárna IGCC s integrovanou technologií CCS pre-combustion • Integrace CCS technologií přináší nutnost integrace nových systémů: • integrace CO shift reaktorů => potřeba vody/páry pro reakce (cca 36 kg/s) • úprava spalovací turbíny • úprava vzduchového kompresoru • integrace dusíkového kompresoru • integrace DeNOx • úprava procesního schématu odvodu a rekuperace tepel v systému IGCC • Analyzované technologie CCS pro IGCC • na bázi AGR unit – vypírka methanolem – Rectisol • na bázi zkapalnění zemního plynu – Kryogenní metoda • Polymerní membránová separace • H2 • CO2
Schéma elektrárny IGCC s CCS technologií na bázi solventů
„vysoké“ ztráty CO2 v AGR jednotce – 8%, problém dosažení separačního faktoru (CCR) 90% a vyšší)
Kombinovaná Rectisolová vypírka (CO2 + H2S)
Elektrárna IGCC Bez i s CCS technologií
„nízké“ ztráty CO2 v AGR jednotce – 1,5%, problém vysoké regenerace tepla v systému
Kryogenní separace • Procesní diagram pro systém kryogenní separace pro výstupní tlak směsi separovaného CO2 odpovídající 115 bar
Berstad D.(2015) „ Norway Grants – WP3 – CCS separation proces Cryogenic “ presentation on IV. Bilateral Workshop of NF-CZ08-OV-1-003-2015 project, Prague, November 2015
Membránová separace
Roussanaly, S., Anantharaman R., Hagen B. L.(2015) „ Membrane for pre-combustion capture from IGCC“ presentation on IV. Bilateral Workshop of NF-CZ08-OV-1-003-2015 project, Prague, November 2015
Roussanaly, S., Anantharaman R., Hagen B. L.(2015) „ Membrane for pre-combustion capture from IGCC“ presentation on IV. Bilateral Workshop of NF-CZ08-OV-1-003-2015 project, Prague, November 2015
IGCC elektrárna s a bez CCS technologie – 85% CCR
Parametry
bez CCS
Hrubý výkon CC 306 717 [kWe] Vlastní spotřeba 13% elektřiny [%] Hmotnostní průtok 46,75 syngasu na SPT [kg/s] Snížení účinnosti 43,35%* bloku vlivem CCS Složení separovaného CO2 CO2 CO H2 *hrubá účinnost bloku bez CCS v %
Rectisol
Kryogenní
CO2 membrány
H2 membrány
252 125
254 036
246 369
227 761
22%
21%
45%
48%
17,5
19,5
18,5
17,2
11,15%
10,47%
20,57%
22,29%
98,39 0,03 0,45
95,45 3,25 0,03
94,35 2,65 2,66
82,87 2,33 13,14
IGCC elektrárna s a bez CCS technologie – 85% CCR - vlastní spotřeba elektřiny
Efekt separačního faktoru Rectisol
• změna účinnosti (tj. pokles) o 0,2% při změně (zvýšení) CCR o 1%
Srovnání s dalšími obecnými metodami separace CO2 (oxyfuel a post-combustion)
Parametre
Oxyfuel*
nárůst CAPEX nárůst výrobní ceny elektřiny Cenaz za separovanou tunu CO2 [USD/t]
38%
Post-combustion Post-combustion Pre- amoniak* adsorpce* combustion 33% 27% 50%
42%
50%
8%
45%
25
28,5
21
35
Data převzata z projektu FR-TI1/379 a výzkumné zprávy ÚJV 14545
ZÁVĚR
• Kryogenní metoda přináší určitý potenciál, pokud je využita v IGCC => kapalný produkt
• Membránová separace může mít v dlouhodobém horizontu zajímavý potenciál, ale dnes průmyslově vyráběné membrány nejsou pro tuto separaci vhodné • IGCC => otázka maximalizace využití odpadních tepel.
Děkuji za pozornost Podpořeno z Norských fondů 2009-2014, programu CZ08 – Zachytávání a ukládání CO2, projektu NF-CZ08-OV-1-003-2015 – Studie Pilotních technologií CCS pro uhelný blok v podmínkách ČR Informace o projektu NF-CZ08-OV-1-003-2015 www.czech-norway-pilotccs.cz,
[email protected]
