Z d r o j:
Nazov casopisu: Zivotne prostredie
Vydavatel: Ustav krajinnej ekologie SAV Bratislava
Rocnik: 1996, Cislo: 2

  Uhli kontra zivotni prostredi

 As with all industrial processes, without careful management the environmental impact of producing, transporting and using coal can be severe. Clean coal technology is all about minimising these effects, to achieve levels which are acceptable locally, nationally and internationally. Technologies need, therefore,to be constantly developed to meet increasingly stringent environmental standards. The future is therefore seen to lie with the more advanced power technologie which are currently approaching either commercialisation or the demonstration stage. These are designed to improve both the environmental performance and the efficiency of coal combustion plants. Several other clean coal technologies exist that are at the early stages of development. The future development will be influenced both by technical progress and by economic, political and environmental considerations.

 Jako u vsech prumyslovych procesu, nutno sledovat negativni dopady na zivotni prostredi i pri tezbe, uprave, transportu a vyuzivani uhli. Technologie tzv. cisteho vyuziti uhli tyto dusledky minimalizuji a dosahuji urovni prijatelnych jak v narodnim, tak i mezinarodnim meritku. Progresivne se zpevnuji a lisi se podle prijatelnosti dane zakonodarstvim te-ktere zeme. Jejich cil je zrejmy: splnit i ty nejprisnejsi emisni limity a standard. Technologie tzv. cisteho vyuziti uhli suviseji s tezbou a upravou uhli (vcetne rekultivace postizene krajiny), s jeho dopravou a skladovanim, vyuzitim v energetice a prumyslu, a take s likvidaci a exploataci odpadu. Aplikace techto technologii zajistuje vyssi energeticke vyuziti uhli pri minimalizaci vsech druhu emisi (vcetne tech, jez zpusobuji sklenikovy efekt). V pristich desetiletich si uhli takto udrzi pozici hlavniho energetickeho zdroje.

 Nebezpeci zvane emise

 Spalovani fosilnich paliv zvysuje podil plynnych a tuhych emisi, vcetne kapalnych odpadnich produktu. Rada vyspelych zemi proto zavedla specificke narodni limity emisi spojenych s exploataci uhli, predevsim SO2, NOx a prachu. Celosvetove jsou vyvijeny tlaky na zavedeni mezinarodnich dohod pro emise kyselych destu (SO2, NOx) a pro emise CO2 ve spojeni se sklenikovym efektem. Kvantum emisi zpusobujicich sklenikovy efekt zavisi na konkretnim technologickem procesu. Pri posuzovani fosilnich paliv jako zdroje energie nutno brat v potaz komplexni palivovy retez (od tezby paliv po finalni spotrebu v podobe tepla ci svetla) a produkci vyrobku pro spotrebitele. Celkove mnozstvi CO2 je zavisle na druhu pouzivaneho paliva. Vznik N2O je uzce spjat s technologii spalovani. Emise CO2 ze spalovani fosilnich paliv, vypalovani lesnich ploch a ostatnich lidskych aktivit zpusobily, ze koncentrace CO2 v zemske atmosfere vzrostla z predindustrialni hodnoty 280 ppm na soucasnych 360 ppm. Mnohe prameny poukazuji na spojitost lidske cinnosti a zmen klimatu. Uhli se vsak podili na tvorbe sklenikoveho efektu jen 23 %.
Technologie pro kontrolu a rizeni tuhych a plynnych emisi ze spalovacich procesu tzv. cisteho spalovani jsou jiz dostupne, anebo jsou ve vyvoji. Nejefektivnejsi cesta redukce vlivu uhli na zivotni prostredi tkvi v maximalnim vyuziti energie z uhli, tedy v posileni ucinnosti premeny energie v uhelnych elektrarnach a teplarnach.

 Nove sledovany nepritel

 Dosud malo poznanou skodlivinou vznikajici pri spalovani je oxid dusny N2O. Jeho stredni koncentrace v atmosfere v soucasnosti cini ca 300 ppm a rocne stoupa o 0,3 % . Jako netecny plyn pronika az do stratosfery. Tam pusobenim slunecniho zareni oxiduje na NO a podili se na likvidaci ozonu a na tvorbe sklenikoveho efektu absorbci infracerveneho zareni. Jeho ucinek je ve srovnani s CO2 temer 300-krat vetsi. Ackoliv jeho koncentrace v atmosfere je 1000-krat nizsi nez CO2, na tvorbe sklenikoveho efektu se podili 6 %. Na citovanem stavu se fluidni ohniste podileji 41 %, klasicke zdroje 40 % a zbylych 19 % pripada na zvlastni zdroje a paliva.

 Lze omezit tvorbu NOx ?

 Pri spalovani zavisi na spotrebe O2, spalovaci teplote, obsahu N2 a prchave horlaviny v uhli. Zakladni princip snizovani emisi NOx spociva bud v omezovani jejich tvorby pri spalovani paliva v ohnisti, anebo v aplikaci chemickych procesu denitrifikace spalin. NOx lze redukovat snizenim maximalni spalovaci teploty, zmensenim koncentrace O2, zkracenim doby setrvani castic uhli v oblasti maximalnich teplot, nasazenim tzv. deNOx horaku ci kombinovanym spalovanim vice druhu paliv.

 Tuhe emise a oxidy siry

 Tvorba SO2 souvisi se slozenim uhli. Pri spalovani se cast organicke siry vzdy vaze na popeloviny. U uhli s vyssim obsahem alkalii se muze takto vazat 10--20 % vznikleho SO2. Existuji dve pouzitelne metody snizovani SO2. Prvni spociva v uprave uhli pred spalovanim (uhli je zbaveno casti spalitelne siry), druha v odstraneni vzniklych oxidu siry ze spalin chemickou cestou. Emise tuhych castic se povazuji za nejmene skodlive. Neni tomu tak. Tyto castice obsahuji vazanou siru, halogenove prvky a tezke kovy. Ty v prubehu spalovani kondenzuji na povrchu castic. Emisni limity nelze dosahnout bez odlucovani ve tkaninovych filtrech a elektrostatickych odlucovacich.

 Moderni technologie pro ciste spalovani uhli

 Hlavnim cilem do budoucna je zvysovani ucinnosti vsech uhelnych elektraren. Moderni jednotky maji vyssi ucinnost nez predchozi. Napr. v SRN klesla spotreba paliva na jednotku vyrobene energie oproti r. 1900 asi o 75 %. To ma vliv na vyraznou redukci tuhych a plynnych emisi. Budoucnost patri jednoznacne kombinovane vyrobe elektriny a tepla. Vyznam kogeneracnich jednotek vyplyva take z ekonomickych a politickych cilu (Ruth, 1995). Predpoklada existenci trhu s energiemi a systemu centralizovaneho zasobovani teplem.

 Fluidni spalovani

 Technologie spalovani ve fluidni vrstve byla vyvinuta v 30 letech v chemickem prumyslu. Jeji principy se nyni siroce aplikuji i pro tzv. ciste spalovani uhli. Umoznuji nejefektivneji redukovat vliv uhli na zivotni prostredi a posilit ucinnost premeny energie v uhelnych elektrarnach a teplarnach. V zasade existuji fluidni ohniste atmosfericka a tlakova. Atmosfericka jsou bud s bublinovou, nebo cirkulujici fluidni vrstvou. V prumyslovych zemich je provozu okolo 200 jednotek. Atmosfericka fluidni ohniste se bezne vyuzivaji v uhelnych elektrarnach s vykonem bloku do 165 MWe. V Japonsku a v USA jsou ve vystavbe jednotky o vykonu az 350 MWe.
Tlakova fluidni ohniste jsou v pokrocilem stadiu vyvoje. Aplikuji principy bublinove i cirkulujici fluidni vrstvy. Pri aplikacich v paroplynovem zarizeni je 75--80 % elektriny vyrobeno v konvencnim parnim obehu. Spaliny opoustejici ohniste vsak maji tlak 1,2--1,6 MPa. Po vycisteni ve vysokoteplotnich keramickych filtrech je tlakova energie spalin vyuzita ve spalovaci turbine. Ta vyrabi az 25 % celkoveho vykonu elektricke energie. Prvni komercni aplikace se uskutecnila ve svedskem Vartanu. Zarizeni vyrabi jak elektrinu, tak i teplo pro vytapeni mesta a splnuje nejprisnejsi emisni limity.

 Zplynovani uhli a kombinovane obehy

Jedna z meznich alternativ tzv. cisteho spalovani uhli je jeho zplyneni. Hlavnim cilem zplynovani je vyroba plynu a jeho vyuziti jako paliva nebo suroviny. Proces ma oproti klasickemu spalovani dve zakladni vyhody:

-- ucinnost zarizeni vyrabejici energii je vyssi,
-- snaze splnuje i nejprisnejsi emisni limity.

•  Produkuji mensi mnozstvi tuhych odpadu, kde velka cast je nevyluhovatelna a muze se vyuzit v zemedelstvi a stavebnictvi.
•  Maji vyssi ucinnost premeny energie.
•  Umoznuji modulovy pristup ve vystavbe, coz vyrazne snizuje cenu elektricke energie.
•  Uroven plynnych emisi je o 20--25 % nizsi nez u nejmodernejsich praskovych ohnist.

 Zkapalnovani uhli

 I nejcasteji pouzivana paliva v doprave -- benzin a nafta -- se mohou vyrabet z uhli, a to ruznymi zpusoby. Technologie konverze uhli zahrnuji jak jeho zplynovani k vyrobe plynu, jenz muze byt transformovan do kapalneho stavu (neprime zkapalnovani), tak technologie zabezpecujici v rafineriich sirokou skalu produktu (prime zkapalnovani). Obe byly poprve aplikovany v komercnim meritku v Nemecku, v letech 1927--1945. V soucasnosti se neprime zkapalnovani siroce vyuziva v Jizni Africe. Dlouhodoby vyvoj zdokonaleneho primeho zkapalnovani se aktivne uplatnuje v Anglii, USA a v Japonsku. Dalsi vyvoj se zameruje na aplikace pro ruzne druhy uhli a na snizeni ekonomickych nakladu.

 Palivove clanky

 Nabizeji moznost prime premeny chemicke energie zplyneneho uhli v elektrinu. Vysokoteplotni palivove clanky -- jak na bazi tuhe oxidace (900--1000 oC), tak na roztavenych uhlikovych elektrolytech (650 oC) -- zarucuji pro zplynene uhli dobre perspektivy. Plyn se ovsem musi dobre vycistit, aby se minimalizovala koroze a chemicke reakce s komponenty palivovych clanku. Ty produkuji jak elektrickou, tak i tepelnou energii. Tu lze vyuzit v tepelnych motorech dodatecnou generaci elektriny. Cista energeticka ucinnost techto zarizeni dosahne az 60 % -- podle typu clanku, konfigurace zarizeni a vyhrevnosti uhli. Tyto obehy umoznuji snizit emise CO2 o 25 %. oproti nejlepsim klasickym elektrarnam. Jednotky o vykonu 100 kWe se jiz nyni projektuji a staveji v ruznych zemich sveta, zprovozneni jednotky o vykonu 2000 kWe se predpoklada r. 1997. V soucasnosti jsou napajeny zemnim plynem. Uvazuje se vsak o blizke integraci zplynovani uhli s palivovymi clanky. Elektrarny s palivovymi clanky by v dohledne dobe mohly vyrabet elektrinu za nizsich nakladu nez klasicke zdroje nebo elektrarny s tlakovymi fluidnimi ohnisti.

 Magnetohydrodynamicke systemy

 Elektricka energie ze spalovacich magnetohydrodynamickych systemu se generuje ve dvou fazich. V prvni se spaluje uhli k dosazeni extremne horkeho plynu nebo plazmy. Pro zlepseni tepelne vodivosti plynu se davkuje sorbent na bazi drasliku. Pote plyn prochazi tunelem se silnym magnetickym polem a vysledny elektricky proud se ziskava pouzitim vhodnych elektrod z proudu spalin. Ve druhe fazi spaliny prochazeji serii tepelnych vymeniku a odlucovacu prachu. Zde se vyuziva teplo, ktere se prevadi do parovodniho obehu s konvencni parni turbinou a elektrickym generatorem. Magnetohydrodynamicke systemy dosahnou vyhledove ucinnosti 50--60 %. Navzdory vyhodam, jez tento system skyta, je jeho vyvoj pomaly. Bude zapotrebi zdokonalit jednotlive komponenty pro jeho komercni vyuziti.

 Tepelne motory

 Rozhodnutim vladniho vyboru pro energetiku USA byl zintenzivnen vyzkum tepelnych motoru na uhli. Spalovaci turbiny na uhli jsou vyvijeny jak pro vyrobu elektriny, tak pro kogeneraci v komunalni i prumyslove energetice. V USA jiz byly uspesne vyvinuty spalovaci komory s nizkou tvorbou NOx , palivove systemy (smes uhli a vody) a systemy pro rizeni tuhych a plynnych emisi. Dosazene stabilni spalovani vykazuje ucinnost 99,5 % a emise NOx max. 25 ppm. Take vyvoj neprimeho spalovani uhli v obezich spalovacich turbin je uspesny. Tyto systemy vyuzivaji konvencni atmosfericke komory s vysokou ucinnosti a s jednotkovymi vykony. Dieselove motory, pohanene smesi uhli a vody, se mohou vyuzit v doprave a pri kogeneraci. Vyznacuji se vysokou ucinnosti (az 55 %) a dobrou regulovatelnosti vykonu. V USA jiz uspesne odzkouseli 12 valcovy dieseluv motor o vykonu 2,2 MWe. Jejich testy prokazaly, ze emise NOx jsou ve srovnani s naftovymi motory polovicni. V prumyslove energetice mohou tyto motory generovat elektrinu a odpadni teplo spalin se pouziva pro vyrobu prumyslove pary (Wilson, 1995).

 Odstranovani a skladovani CO2

 Velka pozornost se nyni soustreduje i na technicko-ekonomicke otazky likvidace CO2 jako odpadu. Jeden takto zamereny program nese nazev -- Greenhouse Gas US Program. CO2 lze uzitecne recyklovat v prirodnich a prumyslovych procesech. Omezene mnozstvi CO2 se vyuziva pri tezbe ropy v obtiznych geologickych podminkach. Seriozne se uvazuje i o prirodni recyklaci pomoci rozsahlych zalesnovacich programu. Existuje rovnez varianta ukladani CO2 do oceanu (obr. 2). To ale vyzaduje injektaz do dostatecne hloubky. Dobre skladovaci kapacity nabizeji take solna loziska a vytezene prostory ropnych vrstev a zemniho plynu. Dlouhodobe vyzkumy v teto oblasti maji za cil overit ekologicke vlivy techto technologii.

 Podzemni zplynovani

 Provadi se v uhelnych hlubinnych loziscich, kde nelze vyuzit klasicke metody tezby. Princip spociva v zapaleni a nedokonalem spalovani uhelnych vrstev. Prvni vrt se zasobuje vysokotlakou parou a kyslikem pro udrzeni kontinuity zplynovaciho procesu. Z dalsi serie vrtu se pak odsavan vyprodukovany plyn (obr. 3). Kvalita zplynovaciho procesu v reakcni zone je monitorovana skladbou plynu z jednotlivych vrtu. Nekdy je zapotrebi utesnit prvni vrt a vhanet paru a kyslik do dalsich. Rizeni tohoto procesu pro zajisteni predepsane kvality plynu je znacne obtizne. Nicmene vyzkum v teto oblasti pokracuje.

 Cilem technologii tzv. cisteho vyuziti uhli, ktere se intenzivne rozviji v USA, Japonsku a zapadni Evrope, je minimalizovat dusledky vyuzivani uhli na zivotni prostredi. Mnoho techto technologii se nachazi v pocatecnim stavu vyvoje a nektere naleznou dostatecny energeticky potencial teprve v budoucnu. Aby dospely do demonstracniho stadia, bude v mnoha zemich nezbytne zintenzivnit vyzkum a vyvoj. O jejich praktickem osudu rozhodne nejenom technicky pokrok, ale i konkretni ekonomicke, politicke a environmentalne pomery ve svete v pristim stoleti.

 Literatura

• Ruth, L. A., 1995: Combustion 2000: Advanced Coal Firing for the Next Century Modern Power Systems, May, p. 77--81.
• Touchton, G., 1995: Electricity Market Shapes New Gas Turbine Strategies MPS, May, p. 17--20.
• Wilson, R. P., 1995: Testing Time for Ccoal-Fuelled Engine MPS, July, p. 49--53.

Seznam obrazku:
1. Aplikace moderni letecke turbiny v paroplynove elektrarne
2. Schema ukladani CO2 v mori
3. Schema podzemniho zplynovani uhli