CHEMICKÉ A ENERGETICKÉ VYUŽITÍ UHLÍ A JEHO DOPAD NA ŽIVOTNÍ PROSTŘEDÍ

Další vzdělávání pro pracovníky škol v Plzeňském kraji CZ.1.07/1.3.47/02.0010

CHEMICKÉ A ENERGETICKÉ VYUŽITÍ UHLÍ A JEHO DOPAD NA ŽIVOTNÍ PROSTŘEDÍ

Milan Kraitr, Vladimír Sirotek

25. 9. 2014


Cíl Cílem exkurze je: - demonstrovat model průmyslových závodů různých výrobních oborů založených na chemických procesech týkajících se zpracování uhlí - seznámit účastníky s chemickým a energetickým využitím uhlí jako významného surovinového zdroje a jeho dopad na životní prostředí - nastínit možnosti aplikace poznatků získaných během exkurze při výuce chemie na ZŠ a SŠ

Obsah 1 Úvod 2 Charakteristika současné situace v těžbě a využití uhlí 3 Využití uhlí v chemických výrobách 4 Ložiska a současná těžba hnědého uhlí v Podkrušnohoří 5 Sokolovská uhelná, a.s. 6 Elektrárna Tušimice II 7 Didaktické poznámky 8 Závěr 9 Literatura 10 Přílohy

1

ÚVOD Uhlí bylo využíváno k energetickým účelům od středověku, u nás od 18. století. V 19. století se stalo i významnou chemickou surovinou, která měla dlouho dominantní význam pro výrobu organických chemikálií. Zhruba v polovině 20. století tuto pozici převzaly od uhlí uhlovodíkové suroviny, především ropa a zemní plyn, které až na výjimky vytlačily technologie založené na uhlí a to sloužilo opět jen jako palivo. V poslední době však dochází k renesanci uhlí jako chemické suroviny především díky mohutnému nárůstu těžby v Číně, která produkuje cca 3 mld t/r, tj. asi polovinu světové těžby černého uhlí. Objem světové těžby hnědého uhlí je méně významný (asi 1 mld t/r). V Číně se ve velkém rozvíjí chemické výroby na bázi uhlí (karbochemie), které již nejsou světově zanedbatelným jevem. Nicméně u nás i jinde v Evropě a v Americe má tento typ chemických výrob ve srovnání s nedávnou minulostí jen malý rozsah (viz kap. 3.1, 3.2). V rámci této výrazně interdisciplinární exkurzní akce se zaměříme na podkrušnohorskou oblast a seznámíme se s nejdůležitějšími typy závodů, které využívají hnědé uhlí jako zdroj energie. Úvodní exkurze se uskuteční ve výrobním komplexu Sokolovská uhelná ve Vřesové. Ten je posledním závodem u nás, kde se chemicky zpracovává hnědé uhlí ve výrobně


energetického plynu, který se v závodě využije jako palivo pro výrobu elektrické a tepelné energie. Plyn se vyrábí originální technologií tlakového zplyňování uhlí, která má charakter chemické výroby, stejně jako navazující čistění plynu, které produkuje řadu chemikálií, jež jsou vedlejšími výrobky závodu. Další exkurze bude věnována výrobě elektrické energie v uhelné elektrárně klasického typu. Samotná výroba v tepelných elektrárnách je založena rovněž na chemických procesech a některé výrobny (zejména provozy odsiřování spalin) jsou fakticky chemickými závody. Seznámíme se s nově rekonstruovanou elektrárnou v Tušimicích (ETU II), která je aktuálně nejmodernější uhelnou elektrárnou u nás. V obou závodech si účastníci exkurze uvědomí četné environmentální souvislosti výrobních procesů. Informativně se účastníci seznámí s polohou areálu bývalého závodu na výrobu syntetických paliv z uhlí u Litvínova a s technologiemi, které se zde užívaly. Při exkurzi bude věnována pozornost rovněž těžbě uhlí v Sokolovské a Mostecké uhelné pánvi. Uhelné lomy poznáme v pohledu horizontálním i v „letecké perspektivě“ ze zámku Jezeří. Zde získají účastníci názornou představu o environmentálních dopadech těžby. Souvrství, jehož součástí jsou těžené uhelné sloje, navštívíme i v podzemních prostorách v Jirkově, v jejichž blízkosti byly v minulosti těženy i sulfidické suroviny pro výrobu kamence. V některých místech obsahují sedimenty uhelných pánví i jílové keramické suroviny, mj. kaolin. S produkty jeho zpracování se seznámíme v muzeu porcelánu v Lokti, navštívíme také muzeum v Kadani s expozicí nerostů i těžby a zpracování regionálních nerostných surovin. V tomto materiálu, při exkurzích v závodech i při terénních činnostech účastníci poznají četné příklady nepříznivého vlivu lomové těžby uhlí a průmyslové výroby na životní prostředí a současně výraznou snahu společnosti situaci zlepšit, minimalizovat negativní environmentální dopady a přiblížit se rovnovážnému stavu udržitelného společenského rozvoje. 2

CHARAKTERISTIKA SOUČASNÉ SITUACE V TĚŽBĚ A VYUŽITÍ UHLÍ Přes zmíněnou regionálně omezenou renesanci výroby chemikálií z uhlí slouží tato surovina nadále především jako zdroj pro získávání tepelné a elektrické energie. Světová těžba černého uhlí kolem 6 mld t je srovnatelná s těžbou ropy a zemního plynu (v přepočtu na hmotnost) dohromady. Součet tonáže ročně vytěženého černého a hnědého uhlí je asi dvojnásobkem produkce ropy. V ČR po roce 1990 klesla těžba hnědého i méně těženého černého uhlí zhruba na polovinu. Výroba elektrické energie i tepla z uhlí je v ČR založena v naprosté většině na uhlí hnědém. Toho se v podkrušnohorských pánvích těží dnes kolem 45 mld t/r. Uhlí se v současnosti podílí na výrobě elektrické energie asi 50 %. Další vývoj je do značné míry ovlivněn hledisky politickými. Přestože energetická strategie se v ČR často radikálně mění, je jasné, že podíl uhlí bude postupně klesat na vrub jiných fosilních paliv environmentálně příznivějších (zemní plyn) či obnovitelných zdrojů. Uhlí se


bude ještě kolem r. 2040 podílet na produkci elektřiny cca 20 % a další vývoj bude záležet na případném prolomení těžebních limitů (vládním usnesením z r. 1991 stanovené hranice dobývacích prostorů). V každém případě, přes klesající význam uhlí a rozmach využívání obnovitelných zdrojů, zůstane uhlí ještě několik desetiletí spolu s jadernou energií páteří našeho energetického systému. V současné době ve světě i u nás dochází k výraznému posunu ve prospěch moderních postupů, při nichž se zvyšuje účinnost spalování uhlí, tj. využití energie obsažené v palivu. Všeobecně se rozšiřují kogenerační energetické zdroje, tj. elektrárenské provozy, které současně dodávají teplo např. ve formě horké vody k vytápění nebo naopak teplárny vyrábějící současně elektřinu (např. Plzeňská teplárenská). Zatímco klasická parní elektrárna má účinnost 30-35 % (využije jen třetinu energie obsažené v palivu), kogenerační provoz tepelnou účinnost až zdvojnásobí, přičemž se současně snižují emise skleníkových plynů (CO2). Protože klasická kondenzační elektrárna (parní) bez kogenerace nedosáhne vyšší účinnosti (podíl tepelné energie přeměněné na elektrickou) než 40 % (rekonstruované energobloky v ETU II mají účinnost 39 %), začínají se budovat tzv. nadkritické (superkritické) zdroje, které pracují s parou nad kritickým bodem vody (374,13 oC, 22,1 MPa). Vyráběná pára má tlak i přes 30 MPa a teplotu přes 600 oC. Elektrárenské bloky spalující hnědé uhlí tak mají účinnost přes 42 %. V ČR je v současnosti před ukončením výstavba prvního nadkritického bloku v elektrárně Ledvice Jiným principem zvyšujícím energetickou účinnost výroby elektřiny jsou paroplynové elektrárny (PPE). PPE jsou běžně budovány na spalování zemního plynu (v současnosti je uváděna do provozu naše první PPE na zemní plyn v Počeradech). V kombinátu Sokolovská uhelná ve Vřesové, kde funguje první PPE v ČR, je však originálně využíván energetický plyn vyrobený na místě z hnědého uhlí. V PPE jsou za sebou zařazeny dvě turbiny s generátory vyrábějícími elektřinu. Zemní či jiný topný plyn o se spaluje se stlačeným vzduchem. Vzniklé spaliny (t ~ 1400 C) pohánějí plynovou turbinu s generátorem. o V plynové turbině se spaliny ochladí asi na 600 C a vedou se do parního kotle. (Uvedené teploty se vztahují k zemnímu plynu, ve Vřesové jsou nižší.) Pára, která v něm vzniká, pohání parní turbinu spojenou s dalším generátorem. Energetická účinnost kombinovaného cyklu PPE využivající zemní plyn je zhruba dvojnásobná ve srovnání s klasickou uhelnou (parní) elektrárnou, snižují se samozřejmě i měrné emise CO2.

Současné energetické zdroje na bázi uhlí musí splňovat náročné požadavky na kvalitu spalin odcházejících do atmosféry. Zákonné emisní limity vycházející z legislativy EU se průběžně zpřísňují. Naše velké uhelné elektrárny, které většinou pocházejí ze 70. let, nemají technickou úroveň, která by vyhověla požadavkům nových emisních limitů platných od r. 2016, a to přesto, že byly průběžně modernizovány, mj. v 90. letech vybaveny účinnými odsiřovacími zařízeními. Závody s perspektivou dalšího dlouhodobého provozu (mezi nimi i ETU II) proto nyní prošly nebo procházejí komplexní modernizační přestavbou. Přitom se vedle zvyšující energetické účinnosti mj. snižují emise NOx zdokonalením spalovacího


procesu. Požadované další snížení emisí SO2 však vyžaduje vybudování nových účinnějších zařízení odsíření spalin. 3

VYUŽITÍ UHLÍ V CHEMICKÝCH VÝROBÁCH Černé uhlí jako surovina pro chemické produkty bylo v minulosti využíváno několika způsoby: a) koksochemie (acetylenová chemie) b) dehtochemie c) zplyňování uhlí. Hnědé uhlí bylo využito zejména k výrobě uhlovodíkových směsí pro motorová paliva. Současná renesance uhlí (hlavně Čína) se týká zejména procesů zplyňování černého uhlí. 3.1

Současný stav Koksochemie a dehtochemie má společný surovinový zdroj – karbonizaci (koksování) černého uhlí. To se dnes provozuje výhradně kvůli koksu, jehož produkce více méně stagnuje. Dehty, benzol a další vedlejší produkty koksáren jsou využívány jako vedlejší polotovary a představují dnes jen doplněk ropných zdrojů. Acetylenová chemie na bázi koksu (meziproduktem je energeticky mimořádně náročná výroba karbidu vápníku) je v současnosti zcela neekonomická, navíc syntézy z acetylenu jsou prakticky vytlačeny technologiemi na bázi petrochemického ethylenu. Technologie založené na zplyňování uhlí na syntézní plyn (CO + H2) byly ve 2. polovině 20. století provozovány jen v Jižní Africe pro výrobu motorových paliv, pro niž byly v důsledku politické izolace kvůli apartheidu nedostupné ropné zdroje. Varianta výroby motorových paliv z uhlí přes methanol, zavedená přechodně na Novém Zélandu, byla opuštěna. Dříve zmíněná renesance chemického přepracování uhlí nejen na motorová paliva, ale i na výrobu chemikálií je založena především na principu zplyňování uhlí. V současnosti se rozvíjí zejména v Číně a představuje nezanedbatelnou perspektivní konkurenci petrochemickým zdrojům. První krokem těchto postupů je získání syntézního (vodního) plynu podle zjednodušeného schématu C + H2O CO + H2 (1) Zjednodušený princip navazující syntézy uhlovodíků použitých jako motorová paliva lze vyjádřit schématem n CO + 2 n H2 (- CH2 -)n + n H2O (2) Neméně významné je oživení využití uhelného syntézního plynu k výrobě chemikálií. (V současnosti však ve světě převládá získávání syntézního plynu z uhlovodíkových surovin, zejména zemního plynu). Klíčový význam má katalytická syntéza methanolu podle rovnice CO + 2 H2

[katal.]

CH3OH

(3)


Na ni pak může navázat výroba četných dalších chemikálií jako např. kyseliny octové, acetanhydridu, formaldehydu aj. (Syntézy vycházející z jednouhlíkatých látek se dnes označují jako C 1 – chemie.) V ČR se v současné době kromě zmíněného tlakového zplyňování hnědého uhlí (podrobněji v kap. 5.3) udržuje na Ostravsku výroba metalurgického koksu, jehož produkce se v poslední době snižuje. Vedlejší produkty karbonizace jsou zpracovávány v a. s. DEZA Valašské Meziříčí, který produkuje mj. černouhelné smoly, benzen, naftalen, anthracen, ftalanhydrid, antrachinon a změkčovadla plastů a gumy, jako např. dioktylftalát. 3.2

Minulost výroby chemikálií z uhlí v ČR V naší zemi se v minulosti provozovaly chemické výroby na bázi severočeského hnědého uhlí v unikátním závodě v Litvínově. V jeho areálu dnes působí petrochemický kombinát v rámci a.s. Unipetrol, kde se z původního závodu nezachovalo nic. Litvínovský závod uvedený do provozu za 2. světové války měl hlavní výrobní zaměření na produkci motorových paliv. Syntetický benzin se zde nevyráběl dříve popsanou technologií podle Fischera a Tropsche (reakce (2)), ale hydrogenační technologií Bergiovou vhodnou právě pro hnědé uhlí. V podstatě šlo o vysokotlakou katalytickou hydrogenaci směsi dehtů s mletým uhlím, která probíhala při tlacích cca 30 MPa a o teplotách cca 400-450 C, a to ve třech navazujících etapách. V první etapě se hydrogenovalo v kapalné fázi (katalyzátor FeS smíchaný s nástřikem suroviny), v dalších dvou etapách ve fázi plynné (heterogenní katalýza na WS2). Během procesu probíhalo štěpení a hydrogenace. Docházelo k nasycování nenasycených vazeb a k odstranění síry, dusíku a kyslíku ze skeletu vzniklých uhlovodíků (obdoba hydrogenační rafinace v ropných rafinériích). o Většina zpracovávaných dehtů se vyráběla v závodě nízkoteplotní karbonizací (při cca 700 C). Vodík se získával z generátorového plynu vyrobeného zplyněním hnědého uhlí. Kromě kapalných paliv se v poválečném období vyráběly v Litvínově na bázi hnědého uhlí i četné další produkty, např. methanol, formaldehyd, fenoly aj. Motorová paliva z hnědého uhlí se vyráběla v Litvínově až do 60. let. Po válce to byl v Československu rozhodující zdroj, který byl postupně nahrazován ropou. V Litvínově pak vznikla ropná rafinérie a později současný petrochemický kombinát. V podkrušnohorské oblasti se provozovala výroba chemikálií na bázi uhlí ještě v Sokolově. Tento závod užíval jako základní surovinu černouhelný koks. Místní hnědé uhlí bylo zdrojem energie pro mimořádně energeticky náročné elektrotermické (a později i elektrolytické) výroby, které představovaly hlavní výrobní zaměření. Chemický závod v Sokolově je předchůdcem dnešní firmy Momentive Specialty Chemicals, a. s., která se zabývá akrylátovou chemií na petrochemické bázi. Závod, vybudovaný za 1. světové války, měl rovněž strategický vojenský význam. Vyráběné dusíkaté vápno (CaCN2) bylo před zavedením přímé syntézy amoniaku polotovarem pro výrobu NH3 jako počátek řetězce výroby výbušnin. Postupné rozšiřování výrobního programu závodu mělo společného jmenovatele – šlo o výroby s vysokou spotřebou elektrické energie, kterou dodávala vlastní uhelná elektrárna. Obr. 1 ukazuje hlavní výroby sokolovského závodu podle stavu v r. 1967. V souvislosti se změněnou orientací závodu na petrochemii byly od 80. let postupně zrušeny všechny výroby zahrnuté v obr. 1 i další výroby mimo akrylový program.


4 4.1

LOŽISKA A SOUČASNÁ TĚŽBA HNĚDÉHO UHLÍ V PODKRUŠNOHOŘÍ Vznik uhlí

Ve starších třetihorách (oligocén) byla alpinským vrásněním podél vzniklých zlomů vyzdvižena kra Krušných hor, pokles sousední kry vytvořil pánve v příkopové propadlině na úpatí Krušných hor. Zde začala v miocénu před 22 – 17 miliony let, kdy panovalo teplé klima s bujnou vegetací, vznikat ložiska hnědého uhlí. Jde o součást jezerních sedimentů ukládaných v močálovitém terénu s rašiliništi. Celková mocnost usazených souvrství dosahuje až 500 m. Podle podmínek usazování materiálu v různých místech oblasti se střídají vrstvy různých hornin vzniklé usazováním jílových materiálů nebo písků. Ve většině pánevních oblastí se vyskytují hnědouhelné sloje vzniklé ukládáním odumřelého rostlinného materiálu (Uhelná sloj je souvrství, které obvykle zahrnuje i tenčí mezivrstvy jalových hornin.) Po přikrytí organického materiálu nadložními vrstvami organická vrstva za nepřístupu vzduchu a vlivem tlaku nadloží zuhelnatěla.

4.2

Podkrušnohorské pánve a jejich využití V Podkrušnohoří se vyskytují 3 oddělené uhelné pánve: Chebská (netěží se kvůli nebezpečí ohrožení pramenů v blízké františkolázeňské oblasti), Sokolovská a Severočeská (ve střední části Mostecká), které ukazuje obr. 2. Uhelné sloje obecně mají mocnost desítky metrů (do 45 m), nadloží řádově desítky až stovky metrů (do 200 m). Geologie ložisek je v jednotlivých pánvích odlišná (v Sokolovské pánvi jsou 2 slojová souvrství, v Severočeské pánvi většinou jedno více méně souvislé souvrství). Velmi různá je také kvalita uhlí v různých místech pánevní oblasti, ať jde o výhřevnost (10-19 MJ/kg), obsah vody (25 až 50 %), popela (od 20 do 40 % v sušině uhlí) i síry (méně než 1 % až 2,7 % v sušině, tj. i přes 2 % ve vlhkém uhlí). Všeobecně obsah hořlaviny v surovém uhlí (bez vody a popela) je zpravidla nižší než 50 %. Vzhledem k relativně mělkému uložení uhelných slojí je v současnosti ekonomickým způsobem dobývání těžba odklizem (lomová, nesprávně povrchová). Ta umožňuje lepší využití mechanizace, vyžaduje ale rozsáhlé přemisťování nadložních materiálů (2-5 m3/t uhlí). Lomová těžba tak má za následek těžké poškození prostředí a vyžaduje náročné hospodaření se skrývkou a následující rekultivaci k „zahojení krajiny“. Obr. 2 rovněž udává polohu hlavních uhelných dolů (lomů) v pánevní oblasti i jejich vlastníky, kterými jsou Severočeské doly, a. s. (lom Libouš/Tušimice/, lom Bílina), Vršanská uhelná, a. s. (lom Vršany), Severní energetická, a. s., do r. 2013 Czech Coal, a. s. (lom ČSA) a Sokolovská uhelná, a. s. (lom Jiří/Vintířov/). Kvalitní uhlí se těží např. v lomu Bílina, málo kvalitní uhlí poskytuje lom Libouš západně od Chomutova. Sokolovské uhlí z lomu Jiří je nízkosirné, má ale vysoký obsah vody. 4.3

Těžba, zásoby, perspektivy využití


V r. 2011 jednotlivé velkolomy vykazovaly následující produkci (zaokrouhleně): Libouš (Tušimice) 15 Mt, Bílina 10 Mt, Vršany 9 Mt, ČSA 5 Mt, Jiří 7,5 Mt, celkem 46,5 Mt. K 1.1.2012 dosahovaly těžitelné zásoby (respektující územní ekologické limity) 822 Mt. Reálná doba těžby a spotřeby uhlí je v různých pramenech uváděna různě, těžba bývá zpravidla účelově nadhodnocena (nebo podhodnocena). Střízlivý odhad Institutu energetických informací z května 2012 počítá s několika scénáři. Scénář zahrnující korekce na očekávané změny spotřeby (při respektování územních limitů) uvádí životnost zásob do r. 2038. To koresponduje i s životností obnovených či nových elektrárenských zdrojů ČEZ, jejichž životnost by měla skončit většinou ve 40. letech tohoto století. Životnost uhelných zásob by se samozřejmě významně prodloužila v případě „prolomení“ současných územních limitů, o něž kromě části politického spektra dlouhodobě usilují zejména těžaři. Především se to týká lomu ČSA (Severní energetická, dříve Czech Coal), kde jde o rozšíření těžebního pole za současnou mez směrem k Litvínovu. Podle odhadu podniku by těžba a spotřeba uhlí z této lokality vystačila do r. 2120.

4.4

Exkurze kolem uhelných pánví Exkurzní trasa nás povede kolem lomu Jiří ve Vintířově u Vřesové v Sokolovské pánvi. V západní části Severočeské pánve objedeme po obvodu lom Libouš, ze severu lom Vršany. Jihozápadně od Litvínova budeme projíždět terénem dříve vytěžených prostor u Komořan, částečně rekultivovaných. Objedeme lom ČSA po východní a severní straně obcemi Horní Jiřetín a Černice. U nich je ve hře likvidace a rozšíření lomu v případě, že by došlo k prolomení těžebních limitů. Dokonalou představu o velkolomové těžbě a jejím vlivu na prostředí získáme při pohledu ze zámku Jezeří, který stojí na ostrohu krušnohorského krystalinika na samém okraji dobývacího prostoru. 5 5.1

SOKOLOVSKÁ UHELNÁ, a.s. Charakteristika podniku Podnik Sokolovská uhelná (SU) je unikátním komplexem těžby a zpracování hnědého uhlí, který vznikl v r. 1994 spojením důlních podniků a Palivového kombinátu Vřesová, který byl hlavním výrobcem svítiplynu pro rozvodnou síť, která zanikla a byla nahrazena rozvodem zemního plynu. V současnosti podnik SU tvoří lom Jiří ve Vintířově a cca 3 km vzdálený zpracovatelský kombinát ve Vřesové. Ten zahrnuje teplárnu (kogenerační zdroj elektrické a tepelné energie s výrobou páry z uhlí) a paroplynovou elektrárnu, jejímž hlavním palivem je od r. 1996 tzv. energoplyn vyráběný tlakovým zplyňováním uhlí v rekonstruované dřívější tlakové plynárně. Zjednodušené blokové schéma komplexu ve Vřesové znázorňuje obr. 3. Chemickou část závodu v obrysech dřívější tlakové plynárny tvoří oddělení v horní části obr. 3 – generátorovna a na ni navazující čistění surového plynu (RECTISOL) + výrobna H2SO4 a oddělení na výrobu vedlejších karbochemických produktů ze zplyňování (Fenolka).


Podnik těží asi 7 Mt uhlí ročně. Uhlí z dolu Jiří má vysoký obsah vody (kolem 40 %), ale nízký obsah síry (asi 1 % v sušině, čili pod 1 % v surovém uhlí) a cca 20 % popela v sušině. Tonáž vytěžené skrývky je asi 8x vyšší. Zhruba 60 % těžby užije podnik pro vlastní výrobu. Tržby za prodanou elektrickou energii a teplo přesahují 7 mld Kč/rok; podnik zaměstnává asi 4 000 pracovníků. Při exkurzi se soustředíme zejména na chemické části provozu, tj. výrobu energetického plynu, jeho čistění a získávání vedlejších produktů. Pro získání komplexního obrazu mimořádně složitého a zajímavého kombinátu SU jsou dále stručně charakterizovány jeho jednotlivé části a technologie, které se zde užívají. 5.2

Těžba a úprava uhlí

Těžba uhlí se provádí obřími korečkovými rypadly s hmotností 1 200 t, výškou 28 m a délkou přes 60 m, s rychlostí pojezdu 6 m/min. Na výsuvné části stroje je koleso průměru 7,5 m se 13 korečky o objemu 365 litrů. Šíře dopravních pásů je 1,4 m, rychlost 4 m/s. Podobné velkostroje se užívají i k těžbě skrývky, jejich dopravní pásy jsou širší. V areálu dolu Jiří je 38 km dopravníků. Drtírna uhlí je vícestupňová, uhlí prochází rošty a pak drtiči různé konstrukce, např. kladivovými mlýny. o Uhlí o zrnitosti do 25 mm se suší v trubkových sušárnách vyhřívaných parou při cca 150 C (uhlí prochází trubkami, pára vně trubek). Původní vlhkost kolem 40 % se snižuje na 20 % u uhlí pro teplárnu, na 30 % u uhlí pro plynárnu. Uhlí se třídí, hrubší frakce (zrno nad 5 mm) se zpracuje v generátorovně, jemná frakce v teplárně. Prachové a drobné zrnité podíly z drtírny a sušárny se zhodnotí mletím v tyčových mlýnech na zrno pod 0,5 mm. Produktem je tzv. multiprach, který může být použit jako levnější náhrada topných olejů.

5.3

Výroba surového energetického plynu (generátorovna) Jedná se o originální technologii zplyňování hnědého uhlí (zplyňovací technologie užívají dnes prakticky výlučně uhlí černé). Jde o velmi složitý proces, který probíhá za zvýšeného tlaku (2,8 MPa) při teplotách od několika set oC (sušení a nízkotepelná karbonizace) až do teplot přes 1 300 oC (při vyšších teplotách vzniká většina plynu). Zplyňovacím médiem je směs kyslíku (závod má vlastní kyslíkárnu Linde) s několikanásobným přebytkem přehřáté vodní páry. Přísun kyslíku je nedostatečný pro úplné spálení uhlí podle reakce (4). Plynárna má 26 generátorů celkové výšky 9 m a průměru 3 m. Generátor je tlakové těleso, které má na spodku otočný rošt a přívod zplyňovacího média; v horní části je uhelná vpusť a odvod plynu. Generátor má dva ocelové pláště, mezi nimiž je voda, která jednak generátor ochlazuje, jednak zamezuje korozi vnějšího pláště vodíkem. Zařízení pracuje se sesuvným ložem (materiál postupuje samospádem).

V generátoru probíhá řada reakcí, které vedou ke vzniku především CO2 (snižuje výhřevnost plynu), CO, H2 a CH4. Vznikají též menší množství dalších uhlovodíků a četné další příměsi (H2S, merkaptany, NH3 aj.). Ve zplyňovacím pásmu (spodek reaktoru) probíhají mj. reakce C + O2 CO2 (4) C + CO2 2 CO (5)


2 C + O2 2 CO (6) 2 CO + O2 2 CO2 (7) C + H2O CO + H2 (1) C + 2 H2O CO2 + 2 H2 (8) CO + H2O CO2 + H2 (9) 2 H2 + O2 2 H2O (10) Největší podíl na tvorbě složek plynu mají reakce (4), (5), (9). Methan může být produktem několika reakcí mezi CO + H2 resp. CO2 + H2. Převážná většina CH4 však vzniká přímou syntézou, která je podpořena zvýšeným tlakem (při reakci se zmenšuje objem plynů): C + 2 H2 CH4 (11) o Surový plyn s teplotou přes 400 C je z kopule generátoru veden do předchladiče, kde se sprchováním obíhající fenolovou vodou oddělí dehty a vyperou fenoly. Hnědouhelný generátorový dehet je použitelný jako palivo, případně zdroj chemikálií, nově je v závodě zplyňován na energetický plyn (kap. 5.4). Z fenolových vod se ve fenolce po extrakci butylacetátem získává fenolový koncentrát. Z odfenolované vodné fáze se destilací oddělí amoniak, který se zkapalní na bezvodý amoniak (jednotka Linde). 5.4

Hořákový generátor energetického plynu (zplyňování dehtů z generátorovny) V nedávné době přibylo do sestavy zpracovatelského závodu SU nové zařízení s nejmodernější technologií, které těsně navazuje na generátorovnu (není zahrnuto do obr. 3). Jedná se o hořákový generátor energetického plynu, označovaný VVKP (projekt „Vedlejší využití kapalných produktů“). Umožňuje zplynění vedlejších produktů tlakového zplyňování uhlí. Jde hlavně o hnědouhelný generátorový dehet, event. fenolový koncentrát nebo surový benzin (izolaci benzinu viz v kap. 5.5 RECTISOL). Jedná se o válcový reaktor s dvouplášťovou konstrukcí obdobnou reaktorům v generátorovně včetně chladicí vody v prostoru mezi oběma plášti. Vzhledem k vysokým teplotám je vnitřní prostor reaktoru opatřen vyzdívkou. Do centrálního hořáku v šachtě reaktoru je přiváděn nástřik dehtu event. jiných kapalných surovin s přesně dávkovaným zplyňovacím médiem, stejným jako v generátorovně [H2O(g) + kyslík]. Podobný je i pracovní tlak (2,8 MPa), teplota přesahuje 1400 oC. Samotný hořák má vyšší teplotu a musí být chlazen. Horký surový plyn je chlazen nástřikem vody a po odloučení částeček strusky míchán s energoplynem z generátorovny a veden na další čistění v jednotce RESTICOL. VVKP umožňuje zvýšit produkci energetického plynu pro paroplynovou elektrárnu na úkor vedlejších produktů s nejistým odbytem a s problematickou rentabilitou prodeje. Dosavadní možnosti energetického využití dehtů příp. jiných kapalných vedlejších produktů přímo v závodě, znázorněné v obr. 3 (spálení v teplárně nebo přimíchání k uhlí do generátorů) jsou méně výhodné.

5.5

RECTISOL a výrobna kyseliny sírové


Použitá technologie firmy LURGI, která pracovala i v původní tlakové plynárně, je založena na odstraňování zbylých nežádoucích složek energoplynu – sulfanu a CO2, odloučí se také lehčí uhlovodíky, označované jako surový benzin. Na rozdíl od dřívější výroby svítiplynu pro vnější rozvodnou síť je současná technologie RECTISOL v SU vedena tak, aby při dokonalém odstranění H2S aj. kyselých sloučenin síry byl obsah CO2 v energoplynu snížen jen částečně. I když CO2 snižuje výhřevnost energoplynu (oproti dříve vyráběnému svítiplynu, který měl při 3 výstupu z RECTISOLU výhřevnost cca 15 MJ/mn ), při aplikaci v plynové turbině působí příznivě tím, že koná mechanickou práci.

Proces je založen na vypírání energoplynu podchlazeným methanolem při teplotě 40 C za zvýšeného tlaku (2,7 MPa). K chlazení methanolu se užívá kompresních chladicích zařízení, kde jako chladivo slouží kapalný amoniak (srovnej s kap. 5.3). Předpíráním plynů methanolem se zachytí a následně oddělí benzin s obsahem cca 50 % aromatických uhlovodíků. Další vypírání energoplynu zaměřené především na odstranění H2S a ostatních sloučenin síry probíhá v protiproudé absorpční koloně s 98 patry, která je skrápěna podchlazeným methanolem. Náplň methanolu obíhající v systému je asi 150 m3. Methanol je regenerován ohřevem a vrací se do absorpce. Vyčistěný energoplyn s tlakem 2,5 MPa odchází do paroplynové elektrárny. Při regeneraci methanolu jsou získány tzv. „bohaté expanzní plyny“ obsahující sulfan s malou příměsí merkaptanů a uhlovodíků.Ty jsou vedeny do výrobny kyseliny sírové. Zde se sulfan spálí při teplotě 1200 oC: H2S + 3/2 O2 SO2 + H2O (12) Spaliny s obsahem SO2 a vodní páry se vedou na kontaktní těleso (mokrá katalýza na V2O5), kde oxidací SO2 vzniká oxid sírový a v navazujícím kondenzátoru kyselina sírová (93 % hm.). Prostředí v jednotce mokré katalýzy je mimořádně korozivní, kondenzátor je skleněný. o

5.6

Paroplynová elektrárna Princip funkce paroplynové elektrárny (PPE) byl vysvětlen v kap. 2. PPE ve Vřesové byla uvedena do plného provozu v r. 1996. Zahrnuje 2 energobloky s elektrickým výkonem po 185 MW, které mají energetickou účinnost asi 45 %. Spalování energoplynu v plynových turbinách (PT) probíhá při 1100 0C. Vzduch je stlačován kompresorem, který má společnou hřídel s turbinou a výkon přes 1,5 mil. mn3 vzduchu/hod. (mn3 znamená objem plynu v m3 přepočtený na „normální podmínky“, tj. 0 oC a 101325 Pa). Turbina pracuje při 3000 otáčkách/min. PT se podílí na výkonu energobloku asi ze dvou třetin. Horké spaliny z PT s teplotou 520 oC jsou vedeny do dvou tlakových kotlů, které vyrábějí páru o tlaku 7,3 MPa a teplotě 500 oC a páru 0,5 MPa/210 oC. Obojí pára pohání parní turbiny. Proti plynovým turbinám mají menší rotor a větší lopatky. Parní turbiny mohou pracovat v plně kondenzačním režimu nebo s odváděním části páry do technologií v závodě. Chladicí voda pro kondenzaci páry obíhá přes chladicí věž výšky 100 m, která je


společná pro oba bloky PPE (její náplň tvoří 10 kt vody). Z generátorů vyvedené napětí 11,5 kV se transformuje na 220 kV. PPE ve Vřesové užívá jako doplňkové a záložní palivo zemní plyn z tranzitního plynovodu. Ten má nižší rychlost hoření a je vhodný zejména pro rychlý náběh a pro odstavení elektrárny. PPE má tak velmi výhodné dynamické vlastnosti a představuje ideální špičkový zdroj vyrovnávající přenosovou soustavu. Náběh z minimálního na maximální výkon u ní trvá 7–20 minut (u klasické parní elektrárny až několik hodin).

5.7

Teplárna

Teplárna ve Vřesové je kogenerační energetický zdroj produkující teplo, elektrickou energii a technologickou páru pro interní využití v kombinátu SU. Teplárna je činná od počátku existence závodu v r. o o 1966. Kotelna má 5 kotlů, v nichž spalování probíhá při teplotě až 1300 C. Vyrobená přehřátá pára (540 C, 13,7 MPa) slouží k pohonu čtyř turbogenerátorů. Každý turbogenerátor tvoří soustrojí turbina + alternátor s elektrickým výkonem 55 MW. Většina vyrobené elektřiny je dodávána do veřejné sítě (cca 40 % produkce SU). o Z parních turbin se odebírá technologická pára 3,5 MPa/370 C. Část páry se použije ve výrobních procesech v závodě. Zbytek je užit k dodávce parovodem do Nejdku nebo jde do výměníkových stanic na ohřev vody rozváděné horkovody k vytápění měst v okresech K. Vary a Sokolov. Základním palivem v kotlích je sušené tříděné uhlí. V teplárně se spotřebuje asi 40 % z celkové spotřeby uhlí ve zpracovatelském závodě. Kotle jsou vybaveny i hořáky pro spalování energoplynu či zemního plynu, chudých expanzních plynů z RECTISOLU a generátorového dehtu. Provádí se modernizace spalovacího 3 procesu s cílem snížit emise NOx na hladinu požadovanou novými emisními limity od r. 2016 (200 mg/mn ). Vedlejšími produkty teplárny jsou struska a popílek z elektroodlučovačů, které jsou využívány pro výrobu stavebnin. Spaliny z kotlů se vedou do odsiřovací jednotky pracující mokrou vápencovou metodou (SO2 ve spalinách reaguje s vápencem rozstřikovaným do absorbéru ve formě suspenze). Princip a technologie mokré vápencové metody budou podrobněji popsány v kap. 6.5.2 a 6.5.3 u elektrárny Tušimice II. Odsířené spaliny jsou vypouštěny do atmosféry tzv. mokrým komínem z laminátu odolávajícího korozi (spaliny mají teplotu jen o 55 C, při níž kondenzuje pára).

5.8

Další provozy a výrobky zpracovatelského závodu SU ve Vřesové

Závod má rozsáhlý systém vodního hospodářství Ten zajišťuje úpravu a rozvod všech typů vody (užitkové, chladicí, pitné i demineralizované vody pro napájení kotlů). Komplex čistírenských zařízení zahrnuje několik specializovaných čistíren včetně rekonstruované biologické čistírny. U všech hlavních ukazatelů se dosahuje účinnosti čístění přes 98 %. Z pestrého sortimentu doplňkových produktů podniku Sokolovská uhelná lze uvést např. kámen z vlastního lomu a různé produkty získávané většinou z nadloží při těžbě uhlí (různé typy jílů a jílových sorbentů, těsnicí zeminy, jílovce, jíly, kaoliny, štěrky).

6 6.1

ELEKTRÁRNA TUŠIMICE II Charakteristika závodu


Elektrárna Tušimice II (ETU II) je v současné době součástí Organizační jednotky Elektrárna Tušimice a Elektrárny Prunéřov (ETP) v rámci a. s. ČEZ. Po realizaci komplexní obnovy ukončené v r. 2012 je nyní ETU II nejmodernější uhelnou elektrárnou v ČR, jejíž technologie splňují kritéria tzv. „nejlepší dosažitelné technologie“ (BAT). ETU II je 3. největším producentem elektrické energie z uhlí v ČR. Vedle elektrické energie produkuje i teplo. Je tedy kogeneračním zdrojem (teplo dodané odběratelům představuje asi 3 % z celkového tepelného výkonu elektrárny). Při exkurzi bude akcentován především provoz odsíření spalin s navazujícím získáváním vedlejších energetických produktů, který má charakter chemické výroby. Budeme však věnovat pozornost celému komplexu výroby energie i pomocným provozům jako úpravna napájecí a provozní vody i zpracování odpadních vod. 6.2

Historie ETU

V těsné blízkosti dnešního lomu Libouš vznikly v 60 a 70. letech čtyři uhelné elektrárny. Kromě severněji situovaných elektráren Prunéřov I a Prunéřov II to byla v areálu dnešní ETU II elektrárna ETU I (od r. 1964), odstavená v 90. letech. Samotná ETU II se čtyřmi bloky s elektrickým výkonem po 200 MW je v provozu od r. 1974. V 80. letech zde byla postavena první odsiřovací technologie v Československu na bázi sovětské regenerativní magnezitové metody. Tu se však nepodařilo dovést k úspěšnému provozu. V r. 1997 bylo v ETU II uvedeno do provozu odsiřování spalin mokrou vápencovou metodou (viz 6.5.1) s účinností přes 90 %.

6.3

Komplexní obnova ETU II Technologie v ETU II přes průběžnou modernizaci vyčerpala po 35 letech provozu svou životnost. Technická, ekonomická i environmentální hlediska si vyžádala komplexní obnovu technologií, na niž bylo vynaloženo cca 27 mld Kč. Při ní byla v průběhu let 20072012 zcela vyměněna většina technologických zařízení (tzv. retrofit), přičemž nová technologická zařízení byla instalována do původních stavebních konstrukcí bloků nebo postavena na místo odstraněných původních zařízení. Menší část původních technologií byla totálně rekonstruována (výměna dílů atd.). Vybudování nových technologií mělo za cíl zlepšení ekonomie výroby a omezení nepříznivých environmentálních dopadů. Šlo zejména o: a) zvýšení energetické účinnosti výroby elektřiny, které vede k úspoře paliva a současně ke snížení emisí skleníkových plynů (CO2); k hospodárnosti výroby přispívá i celá řada dalších úprav technologií, např. v jednotkách odsíření spalin. b) zajištění podmínek pro trvalé dosahování nových emisních limitů platných po r. 2015, které jsou s výjimkou CO mnohem přísnější než dosavadní; navíc situaci komplikuje předpokládané výrazné zhoršení kvality uhlí z lomu Libouš, se kterým musel projekt počítat zejména co se týče emisí SO2. Ty jsou řešeny účinnou moderní technologií odsíření spalin Emise oxidů dusíku (NOx) a prachu (tuhé znečisťující látky) se musely řešit úpravou technologie spalování a konstrukcí účinných elektrofiltrů.


Od 1.1.2016 jsou pro největší energetické zdroje, k nimž patří bloky ETU II, stanoveny limity emisí (v 3 mg/mn ) pro •

tuhé znečisťující látky (TZL): 20 (dosud 100)

•

NOx (v přepočtu na NO2)

200 (dosud 450)

•

SO2

200 (dosud 500)

•

CO

250 (beze změny).

Komplexní obnovou se prodloužila životnost ETU II o 25 let do r. 2035, což koresponduje s předpokládanou zásobou uhlí v lomu Libouš. Lom Libouš je současně zdrojem uhlí i pro elektrárnu Prunéřov II, která od r. 2012 prochází ve 4 blocích o výkonu 200 MW analogickou komplexní obnovou jako ETU II. Ta bude ukončena do konce r. 2015. Naopak elektrárna Prunéřov I bude od r.2016 odstavena.

Komplexní obnova ETU II byla prováděna za plného provozu dvou bloků, při čemž zbylé dva bloky byly v přestavbě.

6.4

Současný stav ETU II Účinnost výroby elektřiny se zvýšila asi o 5 %. Projektová hodnota 38 % je překračována a při dodávkách tepla odběratelům může přesahovat 40 %. Současná kvalita uhlí (2013) se shoduje s projektovou hodnotou u výhřevnosti (11 MJ/kg) a u obsahu vody (34 %), v ostatních parametrech je uhlí zatím kvalitnější: obsah popela v surovém palivu 21 %, tj. 32 % v bezvodém stavu (projekt 32 % v surovém uhlí, resp. 46 % v sušině), obsah síry 1,4 % resp. 2,2 % v a. s. (projekt 2,3 % resp. 3,5 %). Projektové hodnoty jmenovitého parního výkonu kotlů (550 t/h) jsou splněny, stejně jako jmenovitý tlak a teplota přehřáté páry (18 MPa, 575 oC) pro pohon turbin i nominální elektrický výkon každého ze čtyř bloků (200 MW). Projektovaný požadavek dodávky tepla odpovídající tepelnému výkonu 85 MW je zajištěn, instalovaný výkon pro dodávku tepla je 120 MW. Nové technologie dosahují výborných hodnot emisí TZL (tuhé znečišťující látky) a NOx (prach kolem 10 mg/mn3, NOx 180 mg/mn3), které s rezervou splňují limity platné od r. 2016. V důsledku vysoké účinnosti použité technologie odsíření mokrou vápencovou metodou (přes 98 %) i vzhledem k nižší sirnatosti dosud spalovaného uhlí jsou v r. 2013 hodnoty emisí SO2 poloviční oproti novému limitu (pohybují se kolem 100 mg/mn3). Došlo ke snížení emisí SO2 o 80 %, NOx o 70 % a TZL o 85 % proti dosavadnímu stavu. Hmotnost zachyceného SO2 z ETU II se bude pohybovat od 120 kt SO2/r při současné sirnatosti uhlí až do 180 kt/r při maximálním obsahu síry zahrnutém v projektu. 6.5

Charakteristika nejvýznamnějších současných technologií po komplexní obnově


Každý ze čtyř energobloků zahrnuje kotel, parní turbinu, generátor, elektrostatický filtr; další uspořádání je dvojblokové odsíření – vždy pro spalinové vedení ze dvou bloků jedna odsiřovací linka. Do dvou ze čtyř chladicích věží, přes něž cirkuluje chladicí voda z jednotlivých bloků, je pak zavedeno výstupní potrubí z odsiřovací linky. Odsířené plyny odcházejí do atmosféry těmito dvěma věžemi, které plní funkci komína. (Současná ETU II nemá spalinový komín. 300 m vysoký komín z dřívější technologie byl v r. 2011 odstraněn.) 6.5.1 Výroba elektrické energie Na obr. 4 je zjednodušené schéma výroby elektřiny v parní kondenzační elektrárně spalující uhlí. Toto schéma objasňuje základní princip výroby v klasické uhelné elektrárně a je použitelné jako obecná výuková pomůcka. Neodpovídá však zcela nové technologii v ETU II, která je dále stručně charakterizována a je daleko složitější. V obr. 4 jsou některé části uspořádány odlišně, některé části technologie chybí, mj. odsíření spalin. V obrázku je znázorněn trubkový ohřívák napájecí vody (kondenzátu z parní turbiny) v tzv. zadním tahu kotle, výparník představují trubky v ohništi, voda obíhá mezi výparníkem a parním bubnem, z nějž je vedena pára přehřívákem do turbogenerátoru (parní turbina + generátor). Současné technologické zařízení v ETU II Kotle jsou vertikálně uspořádané (výška 57 m). Prvním článkem kotle je spalovací komora s granulačním ohništěm (se suchým odvodem strusky). Uhlí je pomocí ventilátorových mlýnů s lopatkovým rotorem mleto a foukáno ve formě prášku do hořáků umístěných ve stěnách komory. Ventilátorové mlýny mají plynule měnitelný výkon a zajišťují výkon kotle v regulačním rozsahu 50-105 % jmenovitého výkonu. Použité práškové hořáky jsou vířivé (s lopatkovými koly) nebo proudové konstrukce a je do nich přiveden spalovací vzduch předehřátý spalinami. Ze spalovací komory se odlučuje hrubý prach (na obr. 4 to znázorňuje výsypka). V komoře i v zadním tahu kotle jsou uloženy velmi složité trubkové výměníkové systémy se specializovanými funkcemi. Vnitřek trubek je napájen demineralizovanou kotelní vodou resp. recyklovaným kondenzátem a vzniká v něm pára pro pohon turbiny. Vnětrubným prostorem proudí spaliny. Vnitrotrubný prostor představuje tlakový systém kotle. Médium v trubkách prochází mj. přes ohřívák napájecí vody. výparník, přehříváky páry (zde se nasycená pára přehřívá a zvyšuje svůj tepelný obsah). Přehřátá pára je vedena do turbiny. (V té se využívá i část páry z turbiny odvedené, která se přihřívá. Přihřátá pára má stejnou teplotu jako přehřátá, ale nižší tlak.) Kotle v ETU II jsou průtlačné, tzn. že pracovní médium (voda resp. pára) jimi kontinuálně prochází bez oběhu vody mezi parním bubnem (ten v sestavě chybí) a výparníkem (na rozdíl od oběhového uspořádání znázorněného v obr. 4). Spaliny z kotle postupují do elektrostatického filtru, který zachytí většinu popela ze spalovaného uhlí ve formě jemného popílku. Odprášené spaliny jdou dále do jednotky odsíření. Kondenzační turbiny jsou třítělesové s vysokotlakým, středotlakým a nízkotlakým dílem (s různými rozměry i geometrií rozváděcích kol statoru i oběžných kol rotoru). Turbina má na několika místech možnost odběru páry, mj. k ohřevu kondenzátu a napájecí vody nebo pro ohřev topné vody do výměníkových stanic. Vyměníkové stanice vyrábějí topnou vodu, kterou je pomocí horkovodů zásobována Kadaň a další lokality. Na společné hřídeli s turbinou je uložen generátor (jmenovité otáčky 3000/min). Jmenovité výstupní napětí 16 kV je pro rozvod transformováno na 400 kV.

6.5.2 Princip odsíření spalin mokrou vápencovou metodou (MVM) a využití jeho produktů Odsíření spalin, tj. odstranění SO2 (s případným doprovodem malého množství SO3) lze provést různými postupy. Většina z nich má společného jmenovatele princip neutralizace zásaditými činidly. Jednotlivé postupy odsíření mají dva odlišné přístupy podle toho, zda


z produktu neutralizace je regenerováno a recyklováno bazické činidlo (postupy regenerativní) nebo nikoliv. V současnosti existuje velké množství technických řešení a variant odsiřovacích technologií. Naprostá většina všech používaných postupů jsou procesy neregenerativní a převládajícím a také nejlevnějším bazickým činidlem je vápenec (event. vápno). Pro velké zdroje typu kotlů v ETU II převládá mokrá vápencová metoda odsíření, při níž se spaliny stýkají se suspenzí CaCO3. Přitom dochází k reakci CaSO3 + CO2 (12) CaCO3 + SO2 Přídavným vzduchem přiváděným do reaktoru je siřičitan oxidován na síran, který se vyloučí ve formě dihydrátu (sádrovce) CaSO3 + ½ O2 + 2 H2O CaSO4.2H2O (13) Reakce (12) a (13) nejsou v technologii odděleny, proces v reaktoru vystihuje sumární rovnice CaCO3 + SO2 + 2H2O + ½ O2 CaSO4.2H2O + CO2 (14) V suspenzi zůstává produkt reakce, nerozpustný sádrovec, který lze snadno izolovat. Technické řešení MVM a použitá zařízení jsou různá, většinou však převládá užití bezproblémových skrubrů, tj. věžovitých absorbérů bez výplně. Popsané chemické reakce jsou spojeny s absorpcí SO2 v suspenzi. Proto je v technické praxi zařízení zpravidla označováno jako absorbér, i když se jedná o chemický reaktor v pravém slova smyslu. Z možných proudových uspořádání je nejjednodušší a nejvýhodnější protiproud – spaliny se pohybují zdola nahoru a shora je prostor skrubru skrápěn suspenzí obsahující CaCO3, která klesá dolů. Na spodku skrubru je sběrná nádrž s promíchávanou suspenzí, do které je přiváděn vzduch jako zdroj kyslíku pro reakci (13). Skrubr funguje jako kontinuální průtočný reaktor z hlediska spalin (SO2). Spaliny se vstupní teplotou > 150 oC (v ETU II 180 oC) jím procházejí s výstupní teplotou asi 60 oC jen jednou. Z hlediska sorbentu (suspenze) je pro úplné proběhnutí reakce (13) nutný opakovaný oběh (recirkulace) suspenze ze spodní nádrže do rozstřikovacích trysek v horní části absorbéru. V obíhající suspenzi je jen malé množství CaCO3, jehož obsah je regulován automaticky. Při poklesu pH pod hodnotu 5-6 je zreagovaný CaCO3 doplněn přísunem čerstvé suspenze vápence do nádrže. (Dodávka je řízena podle průtoku spalin a obsahu SO2 v nich.) Z nádrže je tato převážně sádrovcová suspenze s příměsí malého množství CaCO3 (obvykle do 1 % z množství sádrovce), která je produktem odsíření, periodicky odváděna. Vede se na zahuštění a odvodnění v různých zařízeních (hydrocyklony, odstředivky, vakuové filtry různé konstrukce). Izolovaný sádrovec (tzv. energosádrovec) může být užit různým způsobem. Menší podíl obrovské produkce energosádrovce z elektráren je kvůli omezeným možnostem odbytu užit na výrobu štukatérské sádry (CaSO4.1/2H2O) např. pro výrobu sádrokartonových desek. Lze vyrábět též pomalutuhnoucí stavební sádru (CaSO4) nebo užít sádrovec jako přísadu do cementu (zpomalovač tuhnutí betonu). Nad těmito způsoby


„ušlechtilého“ využití převažuje zpracování sádrovce na tvrdnoucí materiály, vzniklé smícháním sádrovce s popelovinami (popílek, škvára), vodou, event. vápnem. Produkty tohoto typu se užívají hlavně k rekultivacím terénu, v silničním aj. stavitelství ap. Jsou označovány jako stabilizát (po vytvrzení jsou nerozpustné a podobné betonu) nebo deponát (ukládaný v blízkosti produkčního závodu). 6.5.3 Technologie odsíření spalin v ETU II Dodavatelem použité technologie je rakouská firma AEE Austria, která má dlouholeté zkušenosti s tímto typem zařízení. Současná technologie je optimalizovaná a splňuje parametry BAT. Po dokončení stavby byla firma transformována do firmy Andritz Energy &Environment, zkráceně ANDRITZ (AEE).

Zmíněné dvoublokové uspořádání technologie v ETU II znamená, že spaliny ze dvou bloků jsou po průchodu elektrofiltry spojeny a vstupují do absorbéru. Toto mohutné těleso má celkovou výšku přes 45 m a průměr 14,5 m (záchytná nádrž pod absorbérem má průměr 17,5 m). Absorbér je zobrazen na obr. 5 (vpravo přívod z elektrofiltru). Obrovské potrubí z hlavy absorbéru o průměru 6,7 m slouží pro odvod odsířených spalin. Je zhotoveno ze skelného laminátu a zaústěno do chladicí věže (viz úvod kap. 6.5). V horní části absorbéru je instalováno 5 sprchových pater (zhotovených z polypropylenu) pro jemné rozprašování obíhající „sádrovco-vápencové“ suspenze. V každém sprchovém patře je přes 100 trysek. Trysky vytvářejí kuželový rozstřik kapek (buď plný kužel nebo plášť kužele). Vnitřek absorbéru a ocelové vestavby jsou kvůli omezení koroze pogumovány brombutylkaučukem. V hlavě absorbéru je odlučovač kapek z ohnutých lamel. Odsiřovací linka je dimenzována na průtok spalin s obsahem SO2 11 500 mg/mn3 při průtoku 2 x 850 000 mn3. V absorbéru obíhá přes 10 000 m3 suspenze, za hodinu se ze spalin pohltí průměrně přes 8 t SO2 (to odpovídá ≈ 140 kt SO2 ročně z celé ETU II, srovnej s kap. 6.4). Zakončením odsiřovacích linek jsou dvě z chladicích věží (viz úvod kap. 6.5). Tato technologie velmi o zjednodušuje proces odsíření oproti dříve převládajícím linkám, které odsířené plyny s teplotou cca 60 C o musely ohřívat na teplotu přes 80 C, aby nehrozila kondenzace vody v komíně spojená s jeho korozí. Klasické linky měly k tomu účelu zabudovány komplikované výměníkové systémy, kde se sdílelo teplo mezi horkými spalinami vstupujícími do absorbéru a odsířenými spalinami před komínem Pozn.: Všechny 4 chladicí věže s přirozeným tahem a s výškou 100 m byly při komplexní obnově zcela zrekonstruovány. Kromě popsané funkce komínu u dvou z nich slouží všechny věže k dodávce chladicí vody pro energobloky. Ve věžích dochází ke sdílení tepla mezi ohřátou chladicí vodou a atmosférickým vzduchem. Uvnitř je vestavba na roštu z nerezové oceli. Vestavba zahrnuje 2 m vysokou chladicí vrstvu z lamelových prefabrikátů vyrobených z PVC se strukturou připomínající včelí plástev. Po ní shora stéká ohřátá chladicí voda. Z železobetonového a plastového rozvodného systému je rozstřikována několika tisíci tryskami. Nad rozvodným systémem jsou odlučovače kapek. Pod chladicí vrstvou je nádrž ochlazené vody, která cirkuluje zpět do výroby, především pro kondenzaci páry. Spodek věže je po obvodu otevřen systémem betonových pilotů, které nesou vnější plášť chladicí věže. Mezi nimi proudí atmosférický „průvan“. Ve věžích – komínech je zaústěno potrubí spalin nad funkční částí ve výši asi 20 m nad zemí.


6.5.4 Výroba vápencové suspenze a zpracování sádrovcové suspenze Tyto výrobní linky nejsou nové investiční celky, ale rekonstruované dosavadní technologie ETU II. Suspenze vápence, kterou se nahrazuje uhličitan vápenatý spotřebovaný reakcí SO2 s CaCO3 ze suspenze obíhající v absorbéru, se získává v rekonstruované lince vápencového hospodářství. Vápenec prochází kladivovými drtiči a vertikálními kulovými mlýny KUBOTA. Zde probíhá mokré mletí. Ve vertikálním válcovém tělese mlýna je šneková hřídel naplněná mlecími koulemi. Shora přiváděný podrcený vápenec je vlivem rotace hřídele promíchán s koulemi a rozmělněn. Rozemletý materiál je nasáván vývěvou a separován hydrocyklonem. Hrubá frakce recirkuluje do mlýna, jemná frakce se upravuje na suspenzi vápence (cca 25 % CaCO3). Suspenze sádrovce s malým zbytkem nezreagovaného CaCO3 je odváděna z nádrže pod absorbérem s teplotou asi 60 oC a obsahem sádrovce cca 15-25 % hm. Nejprve se odvodní v baterii hydrocyklonů, kde se rozdělí na 2 frakce. Jemnější částice se vracejí do absorbéru v řídké suspenzi (cca 4 % hm,). Hrubší frakce v husté suspenzi (cca 45 % hm.) jde na pásový vakuový filtr, kde se získá filtrační koláč se sušinou min. 85 %, což je sypký materiál, vedený do skladu sádrovce. Při předpokládaném ročním zachycení 140 kt SO2 se získá 375 kt sádrovce (v přepočtu na absolutní sušinu). V budoucnu (po r. 2015) po odstavení elektrárny v Mělníce (EMĚ) by mohla ETU II nebo jiná elektrárna převzít část odbytu sádrovce EMĚ pro výrobu sádry a sádrových výrobků nebo dodávat část produkce cementárnám.

Prozatím je sádrovec zpracováván na deponát (viz kap. 6.5.2). Deponát z ETU II je certifikovaným vedlejším energetickým výrobkem (stejně tak samotná struska a popílek). Slouží k revitalizaci krajiny po důlní těžbě. Podobné užití má i struska. Poměrně úspěšný je odbyt popílku, který je surovinou pro stavební materiály. 6.5.5 Další provozy Změnily se některé technologie ve vodním hospodářství. Rekonstruovaná jednotka čiření vody užívá jako flokulant Fe2(SO4)3. Proběhla rekonstrukce výroby demineralizované vody a skladu chemikálií. Pro úpravu obíhajícího kondenzátu byl instalován nový dávkovač plynného kyslíku. Kyslík ve vodě působí při vyšší koncentraci korozivně. V malé koncentraci (200-400g/kg) ve vodě dokonale deionizované působí při pH 6,9-7,3 naopak antikorozivně podporou vzniku pasivační vrstvy.

Byl minimalizován objem odpadních vod, které se buď vrací do výrobního procesu nebo se užívají k míchání deponátu. Byla zrušena hydraulická doprava strusky. Struska a popílek z kotlů jsou dopravovány polosuchou cestou, popílek z elektrofiltrů je do zásobníků dopravován pneumaticky. Závod nyní vypouští jen splaškovou vodu vyčistěnou biologickou čistírnou v množství asi 50 kt/r.


7

DIDAKTICKÉ POZNÁMKY V dalším textu jsou vybrané náměty související s programem této exkurzní akce, které mohou učitelé využít ve výuce chemie a při výchově k ochraně prostředí. •

Nepominutelným problémem je vliv těžby uhlí na prostředí, který je nepochybně fatální. V souvislosti optimální volby zdrojů energie vyvstává otázka, zda preferovat uhlí, jádro nebo fotovoltaiku a spol. Odpověď samozřejmě není jednoznačná. Žákům je třeba vysvětlit, že kterákoliv z možností má pozitivní i negativní dopady. V každém případě by při rozhodování neměl určovat řešení jen okamžitý ekonomický přínos, ochrana přírody je stejně důležitým závažím na vahách.

•

Shlédnutí krajiny s lomem ČSA z Jezeří a související problémy s prolomením těžebních limitů je velice motivující východisko pro diskusi se žáky, ideální a názorná by byla žákovská exkurze v rámci školního výletu.

•

V Podkrušnohoří lze dobře sledovat nejen devastaci krajiny těžební činností, ale i větší či menší úspěchy rekultivace v jednotlivých lokalitách. V každém případě úplné hojení ran je záležitostí dlouhodobou pro více generací, ale tím spíš je důležité pojetí strategie rekultivační činnosti. Pozitivně lze hodnotit strategii Sokolovské uhelné. Nejen hospodářské využití rekultivovaných prostor, nejen povinné „ozelenění“ či jen náletová džungle, ale biologicky hodnotné ekosystémy, důraz na biodiverzitu a také využití ke vzdělávání (naučné stezky s environmentálním obsahem a hodnotné využití rekultivované krajiny k rekreaci).

•

Tradičně uplatňovaný názor, že využití domácích surovin je ekonomicky nejvýhodnější, nemusí vždy platit. Příkladem je zaniklá výroba chemikálií na uhelné bázi v Litvínově a v Sokolově, vytlačená dovezenou petrochemickou surovinou. Odlišná je situace zpracování kamenouhelného dehtu a dalších produktů karbonizace uhlí ve Valašském Meziříčí. I když není surovinou nejekonomičtější, je to vedlejší produkt koksoven, kterého je přes jejich omezování stále velké množství a zpracovat se musí.

•

Zajímavý problém s diskutabilním vývojem je využití vedlejších produktů výrob. V Sokolovské uhelné se jeví výhodně produkce kyseliny sírové, i když jde o nevelký provoz. Je založen na druhotné surovině (H2S), která byla získána jako zneškodňovaný polutant prostředí. Výroba H2SO4 je tedy konečným článkem odsíření energetického plynu. Naproti tomu na první pohled komplexně pojaté využití většiny vedlejších produktů z tlakového zplyňování uhlí je problematické. Produkce dehtů a fenolů není natolik velká, aby hlubší zpracování na místě bylo ekonomické a zřejmě není úspěšný ani prodej zpracovatelům. Např. fenoly: v Litvínově přestali zpracovávat vlastní fenolové suroviny, a proto přestaly i dodávky z Vřesové. Nejjednodušší způsob, jak


řešit otázku „kam s ním“, je využití dehtů jako paliva. Pak je mnohem výhodnější současné řešení - zařízení na zplyňování dehtů vybudované na místě. •

Stálo by za úvahu alespoň na gymnáziu aktualizovat výuku chemie informací o unikátní technologii zplyňování hnědého uhlí na energetický plyn, na němž je založena unikátní paroplynová elektrárna. Zplyňování se jeví jako ideální využití domácí surovinové základny, kterým se v závodě zvyšuje účinnost využití energie z uhlí.

•

Podstata zplyňování uhlí bývá přirovnávána k provozu kamen s malým přísunem vzduchu, kdy nedochází k úplné oxidaci na CO2 + H2O. V souboru složitých reakčních možností při zplyňování hnědého uhlí hraje velkou roli zvýšený tlak, který mj. podporuje tvorbu methanu přímou syntézou, která je spojena se zmenšením počtu molů plynných látek. To je výborný a prakticky významný příklad ve výuce tematiky ovlivnění chemických rovnováh. Vyšším obsahem methanu se vřesovský plyn liší od běžných produktů zplyňování na vodní plyn.

•

V elektrárně Tušimice je hnací silou moderně zrekonstruovaného závodu vedle snahy o zvýšení ekonomie provozu také Damoklův meč zpřísněných emisních limitů. Má-li být dále provozována elektrárna na bázi místního nekvalitního uhlí, musí se investovat do technologií eliminujících emise. Lepší ekonomie výroby se samozřejmě neobejde ani bez úprav technologie vedoucích ke zvýšení energetické účinnosti výroby. Pozoruhodné je nejen stárnutí technologických zařízení opotřebením materiálním i morálním. Může k němu přispívat i legislativní tlak (v tomto případě emisní limity z EU). Dosavadní odsiřovací technologie japonské firmy CHIYODA byla v 90. letech moderní a s účinností 90 % bohatě stačila vyhovět tehdejšímu požadavku na účinnost odsíření = 85 %. Po 15 letech provozu musela být odstavena, protože limit emisí SO2 platný od r. 2016 by byl 2,5 krát překračován a na jeho splnění je potřeba nového zařízení s účinností odsíření 98 %.

•

S požadavky legislativy a s nutností zlepšovat technologie roste i investiční náročnost zavádění nových technologií. Před 15 lety byly vybudovány odsiřovací linky ve 12 elektrárnách ČEZ za celkem 24 mld Kč a 7 fluidních kotlů bylo vybudováno za sumu 8 mld Kč. V současné době si komplexní obnova jedné elektrárny vyžádala 27 mld Kč.

•

Pozoruhodnou druhotnou surovinu z odsíření spalin mokrou vápencovou metodou představuje energosádrovec, který je v ČR produkován v množství cca 1-2 Mt/r. To je množství příliš velké na to, aby se dalo zcela nebo z větší části využít ke zpracování na „ušlechtilé“ produkty jako jsou např. sádrokartonové desky. Ty jsou sice ceněné a žádané, ale jejich odbyt je přece jen omezený. Pro značnou část energosádrovce tak zbývá jen náhradní řešení produkce deponátu pro zemní a rekultivační práce.

•

Originální řešení elektrárny bez komína (v ČR už existuje ve Chvaleticích), jehož funkci převzala chladicí věž, je velmi přínosné jednak snížením investičních nákladů, jednak


operačním zjednodušením provozu, ve kterém spalinové výměníky všech možných typů byly jedním z neuralgických bodů provozu MVM. 8

ZÁVĚR Přestože uhlí je v současné době u nás téměř výlučně energetickou surovinou, není pochyb o tom, že éra jeho využití k chemickým výrobám se v budoucnu po vytěžení uhlovodíkových surovin vrátí. Je vhodné tuto myšlenku prezentovat žákům. Pokud zvítězí u nás strategie prolomených limitů těžby, návrat uhelné chemie se nás už nebude týkat, podobně jako někdejší světově špičková intenzita těžby rud v naší zemi už spotřebovala všechny zásoby těchto surovin. 9

LITERATURA

1. 2. 3. 4.

http://cs.wikipedia.org/wiki/Kogenerace Staženo 30.10.2013. http://cs.wikipedia.org/wiki/Lito%C3%ADnovsk%C3%A1_uheln%C3%A1 Staženo 30.10.2013. http://cs.wikipedia.org/wiki/Paroplynov%C3%A1_elektr%C3%A1rna Staženo 30.10.2013. http://cs.wikipedia.org/wiki/Soubor:Hranice_dobyvaciho_prostoru_severoceskych_hn Staženo 30.10.2013. 5. http://milansimonek.blog.idnes.cz/c/357225/Uhelny-teplarnik-Topolanek-a-udajny-na. Staženo 31.10.2013. 6. http://partnernet.andritz.com/powerspectrum/2013-01/files/assets/basic_html/page8.html. Staženo 14.10.2013. 7. http://ucebnice2.enviregion.cz/prirodni-zdroje-prumysl-a-tezba/loziska-nerostnych-s..Staženo 29.10.2013. 8. http://www.akcie.cz/odborne-clanky/103613-otazky-prodeje-uhelneho-portfolia-spole..Staženo 23.10.2013. 9. http://www.allpower.cz 04/2009,str.6,20,24,29,33,40,44,51 Staženo 14.10.2013. 10. http://www.allpower.cz 03/2010,str.10,33 Staženo 14.10.2013 11. http://www.asb-portal.cz/stavebnictvi/konstrukce-a-prvky/beton/generalni-oprava-chl..Staženo 11.11.2013. 12. http://www.casopisstavebnictvi.cz/program-obnovy-uhelnych-zdroju-v-cez_A182_104.. Staženo 7.10.2013. 13.http://www.cez.cz/edee/content/file/investors/investment/stories/equity-investors_may_2013. pdf Staženo 30.10.2013 14. http://www.cez.cz/cs/vyroba-elektriny/obnova-elektrarny-prunerov/tiskovy-servis/3777. Staženo 7.10.2013. 15. http://www.cez.cz/cs/vyroba-elektriny/uhelne-elektrarny/cr/tusimice.html Staženo 14.10.2013 15a.http://www.cez.cz/cs/vyzkum-a-vzdelavani/pro-zajemce-o-informace/materialy-ke-studiu/ tiskoviny/8.html. Staženo 30.10.2013 16. http://www.czechcoal.cz/cs/profil/vu/index.html Staženo 30.10.2013. 17. http://www.datex.cz/clanek130328.htm. Staženo 7.10.2013. 18. http://www.ekool.cz/info/mostecke-uhli Staženo 7.10.2013. 19. http://www.freepatentsonline.com/EPO278041.html Staženo 21.10.2013. 20. http://www.sdas.cz//showdoc.do?docid=504,532,533 Staženo 8.4.2010. 21. http://www.slon.diamo.cz/hpvt/2011_Veda/V%2003.pdf. Staženo 7.10.2013. 22. http://www.spinvest.cz/files/Tusimice.pdf. Staženo 11.11.2013. 23. http://www.suas.cz/article/show/id/310,344,355,363,371,379,407,420 Staženo 29.10.2013.


24. http://www.suas.cz/article/show/id/426 Staženo 24.10.2013. 25. http://www.suas.cz/page/show/slug/... Staženo 24.10.2013. 26. http://www.suas.cz/uploads/110170487247b2c8037de4b07162_brozura_eko_s Staženo 24.10.2013. 27. http://www.suas.cz/uploads/150995248251de4957369b0_Hospodarske_vysledky_2012..Staženo 24.10.2013. 28. http://www.szespisek.cz/eko/nssokolov/text/geologie_SU.htm Staženo 30.10.2013. 29. http://www.tlakinfo.cz/t.py?t=2&i=736&z=2 Staženo 30.10.2013. 30. http://www.transformacni-technologie.cz/plynova-turbina-spalovaci-turbina-v-technol...Staženo 31.10.2013. 31. inergin.cz//wp-content/uploads/2012/05/INERGIN_studie_kveten_20121.pdf. Staženo26.9.2013. 32. Holub, L. a kol.: Vývoj chemického průmyslu v Československu 1918-1990. VŠCHT, Praha 2000. 33. Kočí, P.: Hexion Specialty Chemicals. Formica Publishing, Sokolov 2010. 34. Kraitr, M., Richtr, V.,Sirotek, V., Štrofová, J.: Biologie-Chemie-Zeměpis 18, 235 (2009). 35. Kraitr, M.: Biologie-Chemie-Zeměpis 21, 169 (2012). 36. Kraitr, M. a kol.: Chemický průmysl v České republice. ZČU, Plzeň 1999. 37. Kraitr, M., Sirotek, V.: In: Chemie XVII, s. 21, Plzeň 1998. 38. Kraitr, M., Sirotek, V.: In: Chemie XVIII, s. 7. ZČU, Plzeň 2000. 39. Kraitr, M., Sirotek, V.: In: Chemie XX, s. 81. ZČU, Plzeň 2004. 40. Kraitr, M., Heroutová, J.: In: Sborník Pedagogické fakulty v Plzni, Biologie-Chemie VI, s. 41. SPN, Praha 1968. 41. Kraitr, M., Martínková, I.: In: Sborník Pedagogické fakulty v Plzni, Chemie X, s. 97. SPN, Praha 1976. 42. Landa, S.: Paliva a jejich použití. SNTL, Praha 1956.


10

PŘÍLOHY

Obr. 1 Hlavní výroby v Chemických závodech Sokolov v r. 1967 (v areálu dnešního podniku Momentive Speciality Chemicals, a.s.)40 Obr. 2 Hnědouhelné pánve v Podkrušnohoří a současná lomová těžba uhlí (2013), upraveno podle7 Obr. 3 Zjednodušené schéma zpracovatelské části a.s. Sokolovská uhelná ve Vřesové (upraveno podle24) Obr. 4 Zjednodušené schéma výroby elektrické energie v parní uhelné elektrárně15a Obr. 5 Linka odsíření spalin AEE v elektrárně Tušimice II (podle lit.6) Obr. 6 Elektrárna Tušimice II - pohled od severozápadu (stav 2012)22


Obr. 1 Hlavní výroby v Chemických závodech Sokolov v r. 1967 (v areálu dnešního podniku Momentive Specialty Chemicals, a.s.)40


●b

●a

●d ●c

●e

1 – Chebská pánev 2 – Sokolovská pánev 3 – Severočeská pánev a – lom Libouš (Tušimice), b – lom Bílina c – lom Vršany d – lom ČSA e – lom Jiří (Vřesová) (a, b – Severočeské doly, a.s., c – Vršanská uhelná, a.s., d – Severní energetická, a.s. (Czech Coal, a.s.), e – Sokolovská uhelná, a.s.) Obr. 2 Hnědouhelné pánve v Podkrušnohoří a současná lomová těžba uhlí (2013), upraveno podle7


Obr. 3

Zjednodušené schéma zpracovatelské části a.s. Sokolovská uhelná ve Vřesové (upraveno podle24)


Obr. 4 Zjednodušené schéma výroby elektrické energie v parní uhelné elektrárně15a


Obr. 5 Linka odsíření spalin AEE v elektrárně Tušimice II (podle lit.6)

Obr. 6 Elektrárna Tušimice II - pohled od severozápadu (stav 2012)22 Vpravo blok kotelny se zauhlovacím mostem (za ním skryta strojovna s turbogenerátory. Před kotelnou řada elektrofiltrů a sila na popílek a strusku. Uprostřed absorbéry s potrubím odprášených spalin (zprava) a potrubím odsířených spalin do chladicích věží. Vlevo od absorbérů jsou provozy zpracování sádrovcové suspenze a výroby vápencové suspenze. V pozadí Nechranická vodní nádrž vybudovaná v 60. letech jako zdroj vody pro ETU a terén rekultivovaný po těžbě. Současná těžba uhlí je vlevo mimo obrázek.


CHEMICKÉ A ENERGETICKÉ VYUŽITÍ UHLÍ A JEHO DOPAD NA ŽIVOTNÍ PROSTŘEDÍ

Recommend Documents