Packinox zwiększa szanse na efektywnie kosztowo czysty węgiel

Sprostać wyzwaniom związanym z rosnącą emisją CO₂

Elektrownie węglowe wytwarzają około jednej trzeciej światowej emisji dwutlenku węgla, a według Międzynarodowej Agencji Energetycznej ich udział wzrośnie do około 45% w 2035 roku. Chociaż podejmowane są ogromne wysiłki w celu znalezienia i rozwoju odnawialnych źródeł energii, minie jeszcze dużo czasu, zanim technologie te będą wystarczająco rozwinięte, aby stanowić poważną alternatywę dla węgla i innych paliw kopalnych. Dlatego też znalezienie czystszych sposobów spalania węgla ma kluczowe znaczenie.

Wychwytywanie i składowanie dwutlenku węgla, czyli CCS, to grupa technologii wychwytywania, sprężania i składowania dwutlenku węgla jako sposób na złagodzenie problemu. W ostatnich latach zbudowano niewielkie zakłady CCS w celu oceny technologii CCS, a następnie pierwsze jednostki na skalę przemysłową. Wiele jednak pozostaje jeszcze do zrobienia, gdyż według danych z 2020 r. odzyskuje się jedynie około 35 mln ton ekwiwalentu CO₂ z 35 mld ton wyemitowanych. Dwaj najwięksi użytkownicy węgla do produkcji energii na świecie, Stany Zjednoczone i Chiny, starają się być globalnymi liderami w dziedzinie CCS.

Dwie metody

Dwie najbardziej powszechne technologie wychwytywania dwutlenku węgla to spalanie przed i po spalaniu. W przypadku spalania wtórnego CO₂ jest usuwany po spaleniu węgla. Technologia ta została opracowana dla konwencjonalnych elektrowni węglowych, w których węgiel jest wykorzystywany jako paliwo stałe do produkcji ciepła i energii elektrycznej w procesie spalania. Jest to najbardziej powszechny sposób produkcji energii elektrycznej z węgla. 

W instalacjach spalania wstępnego dwutlenek węgla jest usuwany przed spalaniem. Technologia ta została opracowana dla elektrowni IGCC (Integrated Gasification Combined Cycle), gdzie proces gazyfikacji przekształca węgiel w syntetyczny gaz, który jest wykorzystywany do zasilania elektrowni. IGCC maksymalizuje produkcję energii elektrycznej i zmniejsza emisję zanieczyszczeń powietrza, głównie NOx i SOx.

Technologie usuwania CCS są podobne zarówno w fazie po- jak i przedspalania. Gaz zawierający CO₂ spotyka się z rozpuszczalnikiem, który najpierw wychwytuje _CO2, a następnie uwalnia go, umożliwiając sprężenie i składowanie dwutlenku węgla.

Po wychwyceniu CO₂ może być przechowywany w formacjach geologicznych. Można go również wykorzystać do intensyfikacji wydobycia ropy naftowej (EOR) - metody, w której dwutlenek węgla zmieszany z wodą jest pompowany do starych szybów naftowych, aby pomóc w wydobyciu dodatkowej ropy. Według Departamentu Energii USA, technologia EOR może potencjalnie zwiększyć wydajność krajowego wydobycia ropy naftowej z około 30 procent do ponad 60 procent. 

Minimalizacja kosztów energii dzięki efektywnej wymianie ciepła

W procesie CCS wymaganych jest wiele etapów chłodzenia, ogrzewania, kondensacji i ponownego wrzenia, co sprawia, że koszt energii stanowi dużą część kosztów procesu CCS. Wydajne wymienniki ciepła są podstawowym czynnikiem obniżającym koszty CCS, dzięki czemu proces ten staje się bardziej opłacalny z komercyjnego punktu widzenia.

Alfa Laval była zaangażowana w technologię wymienników ciepła w prawie połowie z 30 do 40 małych instalacji pilotażowych CCS na świecie. Gdy technologia CCS weszła w nową fazę, w której budowane są duże obiekty demonstracyjne, wymiennik ciepła Alfa Laval Packinox okazał się cennym atutem, szczególnie w procesie spalania wstępnego w elektrowniach IGCC.

Packinox - idealny wymiennik ciepła do zastosowań CCS

Wymienniki Packinox Alfa Laval to najprostszy układ instalacji dostępny obecnie na rynku. Dla przykładu, najnowocześniejsza instalacja IGCC-CCS o mocy 600 MW wymaga tylko dwóch wymienników Packinox, w porównaniu do wielokrotnie większej liczby wymienników w konstrukcjach płaszczowo-rurowych.

W związku z tym, Packinox oferuje jedno z najniższych dostępnych rozwiązań pod względem kosztów inwestycyjnych i eksploatacyjnych, ponieważ jest w stanie zapewnić połączenie wysokiego współczynnika wymiany ciepła i bardzo dużej powierzchni wymiany ciepła na wymiennik, do około 20 000 metrów kwadratowych. Te dwie cechy są ważne dla procesu wymiany ciepła, ponieważ obejmuje on bardzo małe różnice temperatur pomiędzy płynami, jak również duże prędkości przepływu.

Dodatkowe oszczędności wynikające z zastosowania urządzenia Packinox wynikają z konstrukcji płyty, która ma bardzo małą objętość wewnętrzną, co minimalizuje ilość rozpuszczalnika w pętli procesowej. Ponadto, Packinox może pracować przy ciśnieniu zbliżonym do ciśnienia panującego w zgazowywaczu. W przypadku instalacji spalania wstępnego, w których gazyfikator pracuje pod wysokim ciśnieniem, umożliwia to oczyszczanie syngazu bez konieczności jego wcześniejszej dekompresji, co przyczynia się do znacznych oszczędności w zakresie kosztów ponownej kompresji CO₂ w późniejszym okresie.

Dwie instalacje w USA

Rząd USA twierdzi, że dokonał największej na świecie inwestycji w CCS - Departament Energii wykorzystał blisko 4 mld USD z funduszy federalnych, którym towarzyszyły inwestycje prywatne o wartości ponad 7 mld USD, na realizację wielu projektów demonstracyjnych.

Alfa Laval z powodzeniem wyposażyła dwie jednostki wychwytywania dwutlenku węgla w największych, pełnoskalowych elektrowniach IGCC w USA: jedna jako retrofit, aby uczynić elektrownię "gotową do wychwytywania dwutlenku węgla" w Edwardsport, Indiana, druga w elektrowni Mississippi o mocy 600 MW - pierwszej na świecie pełnoskalowej elektrowni IGCC, która wychwytuje CO₂ od początku swojej działalności. Obie jednostki wychwytu, pomimo dużej wydajności, wymagały zastosowania tylko dwóch wymienników ciepła Packinox o bardzo dużych rozmiarach i działają zadowalająco, gdy są aktywne.

Autor: Michael Lawton