Rastuće stanovništvo i eksplozivan porast potražnje za energijom i dalje održavaju ugljen važnim energetskim izvorom. Istodobno, mnoge zemlje imaju vlastite rezerve ugljena što ih čini neovisnima o ostalim izvorima energije. Pored toga, cijene ugljena na tržištu nisu toliko promjenjive, za razliku cijena na tržištima naftom i plinom. No, negativna strana ugljena su značajne emisije ugljičnog dioksida, koje su kod termoelektrana na ugljen dvostruko veće nego iz kombiniranih termoelektrana na prirodni plin.


Shema reaktora za uplinjavanje...

Bez obzira na to, svjetsko gospodarstvo u ovom trenutku ne može opstati bez ugljena. Uostalom, prema podacima Međunarodne agencije za energiju (IEA), u 2006. godini su samo u Kini na elektroenergetski sustav spojene čak 174 termoelektrane na ugljen u klasi 500 MW. Ako se uvjeti u svijetu ne promijene, IEA očekuje da će svjetska potrošnja ugljena porasti za 73% u razodblju 2005. - 2030. godine. To znači da je više nego neophodno projektirati termoelektrane na ugljen koje će biti vrlo prijateljske prema okolišu, što znači povećanje učinkovitosti postojećih i novih elektrana s jedne strane, ali i izdvajanje CO2 iz emisija iz elektrana s druge strane.

Zbog potrebe za zamjenom nafte i prirodnog plina u mnogim procesima, još je 1975. godine Siemens razvio tehnologiju uplinjavanja goriva, poznatu pod nazivom SFG (Siemens fuel gasification). Tada je posebna pozornost posvećena lignitu. No, od tada se opseg upotrebljivih sirovina proširio, od uobičajenih fosilnih goriva, do reciklirajućeg tekućeg kemijskog otpada i ostataka iz rafinerija, biomase i drugih otpadnih materijala. Istodobno su ekološki zahtjevi postali sve stroži u cijelom svijetu. Upravo stoga projekti uplinjavanja postaju privlačna rješenja jer omogućuju elektranama da postanu ekološki prihvatljive s manjim emisijama i potencijalom izdvajanja CO2.

Primjenom protočnog SFG-a moguće je pretvoriti goriva u širokom rasponu, a posebno je pogodan za goriva ‘nižeg ranga’ kao što je lignit, s velikim sadržajem pepela i vlage. Sintetizirani plin koji napušta SFG uglavnom se sastoji od ugljičnog monoksida, vodika i malih količina CO2, a nema nikakvih viših ugljikovodika. Štetne komponente poput čestica sumpora i dušika, koje su tipične za uplinjavanje, uklanjaju se uobičajenom obradom plina i poboljšanjem procesa koji slijede. Pri tome se kao glavne karakteristike tehnologije SFG-a ističu:
• dodavanje suhe krute tvari za veliku učinkovitost i malu potrošnju kisika
• vrhunski plamenici s produljenim vijekom trajanja
• rashladna rešetka za veliku raspoloživost i manje potrebe za održavanjem
• voda za brzo hlađenje (eng. quench water), što je čini robusnom i pouzdanom.

Sustav uplinjavanja je poput ‘otoka’, a čine ga procesni koraci sustava suhe dobave (eng. dry feed system), sustav odšljakivanja, prerada sirovog sintetskog plina (eng. raw gas) i obrada otpadnih voda (eng. black water). Oblikovanje procesa osigurava učinkovit projekt, optimalno odvijanje paralelnih procesa, upotrebe vode i minimalno sučeljavanje s nasljednim procesima
i postrojenjima.


Doprema sustava za uplinjavanje u postrojenje

Tehnologije uplinjavanja u Siemensu danas nastavljaju dugotrajnu tradiciju ispunjavanja očekivanja kupaca širom svijeta. Velika raspoloživost, niski troškovi cijelog vijeka trajanja postrojenja i mogućnost upotrebe više goriva u istom postrojenju među najvažnijim su uvjetima konkurentnosti.

Način rada reaktora za uplinjavanje

Uplinjavanje goriva događa se u cilindričnoj komori za reakciju, na temperaturama višima od temperature fuzije ugljena u pepeo. Fino smrvljeno gorivo dovodi se u kontakt s mješavinom kisika i pare, ako je potrebno, pomoću plamenika na vrhu reaktora. Za nekoliko sekundi, mješavina se pretvara u sirovi sintetizirani plin (eng. syngas) koji se uglavnom sastoji od CO, CO2, vodika i vode. Dio tekućih zaostataka stvrdne se na hlađenom zidu reaktorske komore i tako stvara zaštitni omotač. U komori brzog hlađenja, podno reaktorske komore, sintetizirani plin i tekući zaostaci hlade se injektiranjem vode. Stvrdnute granule tekućih zaostataka uklanjaju se pomoću brave od materijala na dnu komore za brzo hlađenje.


... i njegova uloga u cijelom procesu

Sintetizirani plin, kao osnovni proizvod postrojenja s intergiranim uplinjavanjem (IGCC), nakon pročišćavnja se koristi kao gorivo za proizvodnju električne energije u kombiniranom postrojenju. Proces se može dalje optimirati tako da je, uz električnu energiju, moguća i proizvodnja toplinske energije za industrijske procese ili za toplinarstvo. Druga mogućnost, koja će u budućnosti imati još veći značaj, je korištenje sintetiziranog plina za proizvodnju sintetičkih goriva poput sintetiziranog prirodnog plina (SNG), sintetiziranog dizela i benzina ili za proizvodnju visokovrijednih kemikalija kao što je amonijak, metanol i dr. Ta tehnologija predstavlja buduću konkurenciju za naftu i plin, posebice s obzirom na daljnji porast njihovih cijena, jer se ‘brine’ za loša goriva i otpade te pri tome stvara potrebne, a nedostatne proizvode.

Postrojenje za IGCC se lako gradi u fazama. Najprije se može krenuti s kombiniranim postrojenjem na prirodni plin, a zatim se može dodati uplinjavanje ugljena i prerada sintetiziranog plina, dok se dodatno još može dodati oprema za uklanjanje CO koji je potreban u slučaju izdvajnja i spremanja ugljika. Tehnička ili potpuna podrška u školovanju, pribavljanju rezervnih dijelova, upravljanju postrojenjem i održavanju - sve to čini mrežu Siemensovih usluga koja je na raspolaganju neovisno o lokaciji postrojenja.

Prednosti Siemensovog rješenja

Nekoliko je važnih koristi koje se ostvaruju primjenom Siemensove tehnologije uplinjavanja:
• fleksibilnost izbora sirovina, odnosno prikladnost za sve vrste ugljena, a posebno za lignit, petrolkoks, biomasu i tekuće ostatke iz rafinerija
• visoki stupanj pretvorbe ugljika (> 98%)
• radni tlakovi 40 bar i više
• kraće vrijeme starta
• smanjene dimenzije, što omogućuje snižavanje troškova opreme
• velika raspoloživost i smanjeni broj intervala održavanja
• dokazano operativno iskustvo više od 20 godina.


U važnije reference ubraja se TE Vresova u Češkoj

Ispitno postrojenje

U Freibergu u Njemačkoj nalazi se ispitno postrojenje koje se ubraja u jedno od najsvestranijih u svijetu i u njemu je do sada ispitano više od 60 različitih goriva, što Siemensu daje bogato iskustvo u tehnologiji uplinjavanja.Središnji dio postrojenja čini reaktor s toplinskim učinom 5 MW i radnim tlakovima do 26 bar. Opremljen je velikim brojem sustava za pripremu sirovina (poput lignita, bitumenskog i polubitumenskog ugljena, tvrdog ugljena, biomase i petrolkoksa), ali i odgovarajućim jedinicama za proces čišćenja plina, dok je dodatno na raspolaganju oprema za analizu ugljena i šljake.


Ispitno postrojenje u Freibergu

Postrojenje je u komercijalnoj upotrebi od 1996. godine. S tako opremljenim postrojenjem moguće je provesti mnoga ispitivanja poput određivanja detaljnih analitičkih podataka sirovina i proizvoda uplinjavanja, optimiranja pripreme sirovine za maksimalnu učinkovitost i omjera pretvorbe ugljika, određivanja optimalnih uvjeta za proces uplinjavanja ili prikupljanja vrijednih informacija o očekivanim proizvodima i ekološkom učinku.

U postrojenju se može provesti ispitivanje uzoraka (eng. test rig) za visokotlačne dodavače ugljena. Ono se sastoji od posve opremljenog sustava za suho dodavanje, a može se dobiti optimalno rješenje dodavanja sirovine.
Postrojenje posebno omogućuje sljedeće:
• istraživanje i proučavanje fluidnog ponašanja pri uvjetima povišenog tlaka
• usporedbu različitih mjernih sustava za određivanje gustoće i količine ugljena
• istraživanje mogućnosti dodavanja različitih plinova u slučaju krutih dodavanja
• ispitivanje alternativnih sustava suhog dodavanja.

Reference

Nekoliko je glavnih referenci prikazane tehnologije s oko 400 000 h rada u komercijalnim uvjetima kao što su:
• Secure Energy Services (SAD): pretvorba ugljena u kemijske proizvode
• TE Schwarze Pumpe (Njemačka): proces se prvotno koristio za uplinjavanje smeđeg ugljena, a danas se koristi za pretvorbu industrijskog otpada u metanol
• TE Vresova (Češka): integrirano uplinjavanje tekuće sirovine
• Shenhua Ningxia Coal Industry - NCPP 1 (Kina): pretvorba ugljena u polipropilen (2000 t/d ugljena)
• Jincheng (Kina): pretvorba ugljena u amonijak.