IZBOR I ANALIZA EFIKASNIH POSTUPAKA SAGOREVANJA
DOMAĆIH ULJNIH ŠKRILJACA
SELECTION AND ANALYSIS OF EFFICIENT DOMESTIC
OIL SHALE COMBUSTION PROCESSES
B.S. Repić*, N.J. Đajić**, B.D. Grubor*
* Institut za nuklearne nauke - Vinča, Laboratorija za termotehniku i energetiku,
P.Fah 522, 11001 Beograd
**Rudarsko-Geološki fakultet, Đušina 7, 11000 Beograd
Abstract:Oil shales are the real great energy potential of Serbia. In order to use domestic oil shale for energy purpose the problems of efficient and economical way of their combustion have to be solved. In the paper usage of direct combustion of oil shale in energy boilers is considered based on the followingaspects: problems of depot, mills facility for preparing of oil shale for combustion and boilers facility for oil shale combustion. The selection of technology i.e. ways of usage of domestic oil shale combustion in furnace space with solid ash removal, combustion in furnace space with liquid ash removal and fluidized bed combustion was made in the paper.
Key words: oil shale; combustion; selection; analyze; technology.
1. UVOD
Uljni škriljci spadaju u nekonvencionalna fosilna goriva, pa su u svetskim razmerama dosta malo istraženi. Izuzimajući neke industrijski razvijene zemlje (SAD, Australija, Kanada, Rusija, Estonija, Kina i dr.) gde su vršena detaljnija geološka i tehnološka istraživanja do poluindustrijske i industrijske proizvodnje, o ovom potencijalu se malo zna.
Uljni škriljci su rudni materijali sedimentno-organogenog karaktera sa različitim sadržajem organske materije koja je raspršena u porama u obliku mikroskopski sitnih čestica. Nastali su u plitkim jezerima i morima, pri čemu su ugljovodonici ostaci algi i drugih nižih biljnih vrsta koji su se taložili u toploj vodi, prekriveni sedimentnim nanosom. Prema nekim procenama uljni škriljci su stvoreni pre više desetina miliona godina i tektonski su mirovali sve dok nije došlo do poremećaja i izdizanja slojeva, kojimogubitiivišestotinametaradebljine. Sadržajorganskematerije (kerogena) jeveomarazličituzavisnostiodsastavaikrećeseodnekolikolitarado 600 lpotonirudeunajbogatijimležištima. Svetski potencijaluuljnimškriljcima je vrloveliki, alijošuveknijetačnoutvrđen. Najveći potencijali se nalaze u Australiji, Brazilu, Kanadi, Kini, Estoniji, Francuskoj, Rusiji, SAD-u i td.
U literaturi postoje različite procene ukupnih potencijala uljnih škriljaca, od 227-490x109ten.[1]. Bez obzira da li su ti potencijali veći od potencijala konvencionalne nafte, ta ocena je relativna, jer će njihovo korišćenje u budućnosti zavisiti od niza faktora:cene konkurentnih goriva, uključujući i sintetička goriva dobijena iz uglja; otkrića novih ekonomski opravdanih tehnologija estrakcije kerogena i troškova zzaštite životne sredine. Sarešenjemtihproblemauljniškriljcićepostatiznačajanenergetskiizvor. Međutim, imajućiuviduneravnomeranrasporedpotencijalasirovenafte i njenu buduću visoku cenu, uljniškriljciimajuperspektivanznačaj za mnoge zemlje kojenjima raspolažu, jer je porastcenakonvencionalnihgorivaneminovan. Osnovni uslovza intenzivniju proizvodnju uljnih škriljacajerentabilanprocesnjegoveekstrakcije i korišćenja, uz rešenjeekološkihproblema.
Imajući u vidu tehnoekonomske probleme različitih tehnologija ekstrakcije kerogena,uljniškriljci se danas u nekim zemljama koristeikaogorivoukotlovimatermoelektranailiindustrijskimpećima. Međutim, zahtevi za energijom pri eksploataciji, drobljenju,pripremi i transportu, zajedno sa zahtevima zaštite životne sredine i sigurnim odlaganjem ogromnih količina otpadnog materijala su veliki, te je energetska efektivnost celokupnog ciklusa mala.
2. ULJNI ŠKRILJCI SRBIJE
Istraženostuljnih škriljaca u Srbijijeveomamala.Dosada su otkrivena nalazištauljnihškriljacausledećimregionima: Niškom (Aleksinačkibasen, reoniselaBovnaiPrugovca, BubušinačkiiKosaničkibasen), Zaječarskom (Timočkazonasenonskogtektonskogrova, izmeđuKnjaževcaiBoljevca), Južnomoravskom (Vranjskibasen), Kraljevačkom (KruševačkiiČačansko-Kraljevačkibasen) iPodrinjsko-Kolubarskom (Valjevsko-Mioničkibasen). ProcenjenerezerveuljnihškriljacanateritorijiSrbijeiznoseoko 8.115xl06tona,a odtogasenajvećenalazeuAleksinačkombasenu.
Danas se samozaležišteuljnihškriljacauokoliniAleksincamožerećidajeneštoboljepoznatozahvaljujućiistražnimradovimakojisuobavljanizapotrebe proizvodnje uglja, tesupritomeprikupljanipodaciiouljnimškriljcima, kojisenalazeupovlati i podini ugljenihslojeva. Međutimčakitipodacinisudovoljniza konačnu procenugeološkihieksploatacionihrezervi, odnosnonjihovukategorizaciju.Aleksinačko ležište se nalazi ublizini grada Aleksinca, sa severoistočne strane. Ono je većim delom istraženo paralelno sa istraživanjem ležišta uglja. Zahvata područje Aleksinačkih rudnika, između reka Južne Morave i Moravice i pruža se neposredno od grada Aleksinca u pravcu SSZ u dužini od 10 km (zahvata površinu od 20 km2). Ležište uljnih škriljaca je podeljeno na tri dela i to: „Dubrava“, „Morava“ i „Logorište“, odn. kako je otkopavan ugljeni sloj po jamama.
Dubina serije uljnih škriljaca u ovom ležištu se kreće od površinskih izdanaka duž pružanja čitavog ležišta pa sve do dubine od 700 m. Debljina krovinskog sloja uljnih škriljaca iznosi u proseku oko 60 m, a podinskog sloja oko 30 m. Sadržaj sirovog ulja u slojevima škriljaca se kreće 6–20%, u proseku oko 10%. Podinski uljni škriljci sadrže proslojke uglja debljine 0,20-0,80 m. Iznad uljnih škriljaca leže bitumenozni laporci, laporci sa proslojcima peskovitih glina i ređe laporoviti peščari.Ukupne rezerve uljnih škriljaca u ovom ležištu se procenjuju na preko 2x109 t sa sadržajem oko 200x106 t sirovog ulja. Osnovne karakteristike ovih uljnih škriljaca date su u Tabeli 1. Poređenja radi, u istoj tabeli prikazane su i karakteristike Pribaltičkih škriljaca.
3. ANALIZAEFIKASNIHPOSTUPAKASAGOREVANJAULJNIH ŠKRILJACA
Na osnovu detaljnih analiza izvršenih u [1] može se zaključiti da je budućnost korišćenja Aleksinačkih uljnih škriljaca u: proizvodnji električne energije; industrijskoj preradi i njihovom kompleksnom korišćenju; tehnološkoj preradi uljnih škriljaca (dobijanje proizvoda za hemijsku i farmaceutsku industriju, poljoprivredu, industriju stakla, cementa i građevinskih materijala, dobijanje ulja, maziva, benzina, tečnog gorivaza termoelektrane i sl.).
Za sagorevanje domaćih uljnih škriljaca moguće je koristiti sve razvijene tehnologije za sagorevanje uglja i to: sagorevanje na rešetci (u sloju), sagorevanje u letu (u sprašenom stanju) kao i sagorevanje u fluidizovanom sloju.
Tabela 1. Karakteristike Aleksinačkih i Pribaltičkih uljnih škriljaca
Veličina / Dimenzija / Aleksinački / PribaltičkiVlaga / % / 1,2-6,4 / 11,2-13,2
Pepeo / % / 64,66-64,80 / 40,0-45,1
CO2k / % / 8,33-13,33 / 14,4-20,6
Toplotna moć / MJ/kg / 5,66-8,81 / 7,5-10,9
Ugljenik / % / 16,22-20,47 / 19,1-24,1
Vodonik / % / 1,90-2,56 / 2,4-3,1
Azot / % / - / 0,1
Kiseonik / % / 5,72-13,48 / 2,4-3,7
Sumpor ukupni / % / 0,41-4,5 / 1,3-1,8
3.1. Sagorevanje na rešetci
Uljni škriljci se mogu koristiti za direktno sagorevanje u manjim kotlovskim jedinicama u kojima se sagorevanje vrši na rešetkama (sagorevanje u sloju). Zbog ograničenih kapaciteta kotlova za sagorevanje na rešetci oni nemaju posebnog značaja sa energetskog stanovišta a time ni velikog ekonomskog interesa u sagorevanju Aleksinačkih škriljaca. S obzirom na to da se uljni škriljci ne mogu ekonomično transportovati na veću daljinu ostaje njihova upotreba u velikoj energetici kao jedini ekonomski prihvatljivi način korišćenja.
3.2. Sagorevanje u letu
Processagorevanjauljnih škriljacamožeseukotlovskimpostrojenjimavršiti kao:
-sagorevanjesprašenih škriljacauprostorusa čvrstimodvođenjemmineralnihmaterija,
-sagorevanjeuprostorusatečnimrežimomodvođenjamineralnihmaterija.
Direktnosagorevanjeuljnih škriljacauparnimkotlovimatermoelektranajepostupakkojiseprimenjujeveć duževremeitonaročitouPribaltiku, još od 1920 g.[2]. Sobziromnavelikerezerve škriljaca, jediničnikapacitetikotlovasustalnopovećavani, takodasedanasnalazeueksploatacijikotlovivećegkapacitetasaparametrimapareod 140 bar-ai 540oC, instalisanejediničnesnage 100 MWi 200 MWkojisagorevaju škriljceusprašenomstanju.
Kaoizaslučajostalih čvrstihgoriva, korišćenjeuljnih škriljacazadirektnosagorevanjeupostojećimkotlovimatrebaposmatratisasledećihaspekata:
- problemideponijezapotrebetermoelektraneilitermoelektrane–toplane,
- mlinskopostrojenjezapripremu škriljacazasagorevanje,
- kotlovskapostrojenjazasagorevanje škriijaca.
Zanesmetanosnabdevanjekotlovavećihkapacitetaneophodnajedeponijanakojojtrebauvekdapostojerezervegorivazanesmetanradutrajanjuodnajmanje 15 dana. Zajedanbloksnage 100 MWtrebagodišnjecca 1,1.106tona škriljacaprosečnedonjetoplotnemoćioko 6188KJ/kg.Imajućiuvidupotrebnedimenzijedeponije, kaoidugotrajnostajanje škriljacananjoj, postojiopasnostodpojavesamozapaljivanja i zagađenja okoline. Danasjeuspešnorešennizproblema, kaoipropisanitehnološkiusloviipostupcideponovanja, kakonebidolazilodoneželjenihpojavananjima.
Korišćenjeuljnih škriljacazadirektnosagorevanjeuložištimaparnihkotlovapostavljavelikeproblemesagledištaizboranajpogodnijegtipamlinazanjihovo mlevenje. Za mlevenje Pribaltičkih škriljaca koriste se, uglavnom, mlinovi čekićari tangencijalnog tipa (sa ili bez inercionih separatora). Meljava koja se pri tome postiže ima ostatak na situ od 0.09 mm od 10-42% zavisno od elektrane. Postoje težnje dase zamlevenje škrlijacakoristeventilatorskimlinovi. Osim preporuka nema podataka o praktičnoj primeni ventilatorskih mlinova za mlevenje škriljaca. Naročitotežakproblem pri mlevenju škriljaca predstavljavelikohabanjeelemenatamlina koje je znatnoveće za škriljce negozaslučajmlevenjaostalih čvrstih goriva.
Ložištaukojimase sagorevajuuljni škriljcimorajuimatiznatnovećedimenzijeoduobičajenihložištazasagorevanjelignita. Tojeuslovljenovećimprijemomtoploteiveomaslabomefektivnošćuekranskihgrejnihpovršinauložištu. Uciljusprečavanjaabrazivnogdejstvaprodukatasagorevanjasmeštajkonvektivnihgrejnihpovršinamoraseizvestiudvailitrikonvektivnakanala. Ovoznatnopovećavadimenzije kotlovskog postrojenja kao itroškoveinvesticijaiodržavanjapostrojenja.Zbog problemainterakcijeizmeđuprodukatasagorevanjagorivasagrejnimpovršinama smatrase daekonomičnugranicukapaciteta predstavljaju blokovisnageoko 200 MW (640 t/h parepritiska 140 baraitemperature 530-5400C).Eventualnopovećanjekapacitetaiparametarazahtevanovemetodesagorevanja škriljaca.
Sagorevanjeuljnih škriljacauprostoru, satečnimodvođenjemmineralnihmaterija, je veomainteresantno, jersenajvećideomineralnihprimesazadržavauciklonuililožištu. Timeseznatnosmanjujenjihovakoncentracijauproduktimasagorevanjakojinapuštajuložišteiulazeukonvektivnitrakt. Međutim,najvećinedostatakovakvognačinasagorevanjajevrlovelikigubitakusledfizičketoplotetečne šljake koji možedaiznosiipreko 16%, štobizbogpostojanjaiostalihkotlovskihgubitakadovelodonedozvoljivoniskogstepenakorisnostikotlovskogpostrojenja. Zatoovakavnačinsagorevanjanedolaziuobzirsvedoksenepronađumogućnostizarentabilnokorišćenjetoplotneenergijetečne šljake.
Prisagorevanju škriljacaproblempredstavljai zaštitaokolineodzagađivanja čvrstim česticamaioksidimasumporaiazota. Prisagorevanju Pribaltičkih škriljacakoncentracijaSO2dostiže[2] 24-30 g/m3, dokzaslučajsagorevanjamazutatevrednostiiznose 6-7 g/m3. Trebaimatiuvidudapritome, navisokimtemperaturamadolazii dostvaranjaazotnihoksida, čijakoncentracijauizlaznimdimnimgasovima može preći dozvoljenevrednosti.
Složenost problema koji prate primenu uljnih škriljaca u praksi ukazuju na sledeće aspekte korišćenja domaćih škriljaca. Izgradnja novih energetskih kapaciteta na Aleksinačke škriljce u kojima bi se primenilo njihovo sagorevanje u letu je moguća jer postoji razvijena tehnologija pripreme, mlevenja, sagorevanja, zaštite okoline i dr. koja to u potpunosti omogućuje. Međutim, njihovo korišćenje moguće je samo u zoni okoline rudnika (maksimalno na daljini 20-30 km). Zato je praktično nemoguće planirati korišćenje ovih škriljaca na postojećim postrojenjima EPS-a. Postojeće konstrukcije energetskih kotlova koji sagorevaju lignit, uzimajući u obzir njihove projektne karakteristike, konstrukcije ložišta, primenjen način sagorevanja, temperaturske nivoe koji se ostvaruju u ložištu i drugoj promaji, razmeštaj grejnih površina, način odvođenja pepela i šljake nisu primerene korišćenju uljnih škriljaca. Isto tako i korišćenje škriljaca na postojećim industrijskim kotlovima ili kotlovima toplana i energana u bližoj okolini Aleksinca i Niša nije realna
3.3. Sagorevanje uljnih škriljaca u fluidizovanom sloju
Zbog velikog broja eksploatacionih problema koji prate sagorevanje uljnih škriljaca u letu smatra se daje jedno od rešenja u budućnosti njihovo sagorevanje ufluidizovanomsloju (SFS),jerje to tehnologijapovoljnaza čvrstagorivasavelikimsadržajemmineralnihmaterija[3]. TehnologijaSFS razvijena je zapouzdanoiefikasnosagorevanjepraktičnobilokakvoggoriva, bezobzirananjegovkvalitet (visoksadržajvlageipepela, niskatoplotnamoć, itd.), kaoikorišćenjerazličitihgorivauistomložištubezbitnijeguticajanasnaguložišta. Relativnonisketemperaturesagorevanjaomogućavajusagorevanjeigorivasaniskotopivimpepelombezpojaveproblemazašljakivanjagrejnihpovršina.
Uložištimaikotlovimasasagorevanjemufluidizovanomsloju, sagorevanjeseodvijausledećimuslovima: srednjaveličina česticainertnogmaterijalajeod 0,5-2 mm, temperaturafluidizovanogslojauopsegu 800-9000C,brzinavazduha 1-2,5 m/sivisinasloja 0,3-1 m. Gorivokojesesagorevajeuobičajenegranulacije 2-12 mmtakodasezanjegovupripremuzakotloveSFSkoristedrobilice.Oviusloviukojimaseodvijasagorevanjesutakođepovoljnisaaspektasmanjenjaemisije štetnihjedinjenja. RelativnonisketemperaturesagorevanjadovodedosmanjeneemisijeNOxjedinjenja. Pritometrebanapomenutidaseovakavtemperaturskiopsegpostiženevelikimviškomvazduhaveć odvođenjemtoploteizsamogfluidizovanogsloja. OvajtemperaturskiopsegjepovoljanizaredukcijuSO2usledreakcijesasopstvenimkalcijumomupepeluilidodavanjemkrečnjakazajednosagorivom.
Tehnologijasagorevanja fosilnih goriva ufluidizovanomslojuseizuzetnomnogokoristiusvetu[3].Dosadajeizgrađenobezbrojobjekatakojisagorevajuugalj, drvo, biomasu, tečnagoriva, raznaotpadnagorivaidr. Ovatehnologijasekoristiizaproizvodnjuelektričneenergijetakodasuueksploatacijienergetskiblokovisnageido 300 MWe.Uljni škriljcise, zasada, još nekoristeindustrijskiupostrojenjimasafluidizovanimslojem. Dugogodišnjaistraživanjakojasuvršenasarazličitimuljnim škriljcimapokazujuvrloohrabrujućerezultate. SkorosavsumporizreagujesasopstvenimCatakodasuemisijeSO2znatnonižeiodnajstrožijihsvetskihnormi. Problem zaprljanja grejnih površina je značajno manji nego kod sagorevanja u letu. Zbog nižih temperatura sagorevanja i većeg ukupnog stepena korisnosti, emisija CO2 je kod ove tehnologije niža za oko 10-15% nego u slučaju sagorevanja u letu.
Eksperimentalna istraživanja sagorevanja škriljaca u fluidizovanom sloju su pokazala[4] da ovo sagorevanje ima visoku efikasnost procesa, visok stepen vezivanja sumpora (skoro 100%) čime je problem emisije SO2 praktično rešen, da su problemi lepljenja proizvedenog pepela relativno mali i sl. Na osnovu ovih istraživanja i dobijenih projektnih parametara namenski je napravljeno više demonstracionih postrojenja za ispitivanje uljnih škriljaca. Na taj način definisane su preporuke za pojedine delove opreme kotlovskih postrojenja sa tehnologijom SFS koje se odnose na: bunkere za gorivo, pripremui doziranje goriva, komoru za sagorevanje (ložište), razmeštaj grejnih površina, izmenjivač toplote u fluidizovanom sloju, konvektivne grejne površine, cevne zagrejače vazduha, ciklon, uklanjanje čestica pepela iz dimnih gasova i transport pepela.
4. IZBOR TEHNOLOGIJE ZA SAGOREVANJE ULJNIH ŠKRILJACA
Na osnovu analize postojećih tehnologija sagorevanja uljnih škriljaca može se izvršiti izbor najpovoljnije tehnologije korišćenja domaćih uljnih škriljaca za proizvodnju električne energije. Izbor se praktično svodi na dve tehnologije i to: sagorevanje sprašenih uljnih škriljaca u letu, isagorevanje uljnih škriljaca u cirkulacionom fluidizovanom sloju.
Osnovne prednosti tehnologije sagorevanja uljnih škriljaca u letu su:komercijalno razvijena tehnologija koja je proverena u praksi više od 80 godina;izgrađeni komercijalni energetski blokovi jedinične snage od 100 MWe i 200 MWe kao i blokovi manjih snaga;postoje proizvođači opreme i to: kotlova, mlinova, ciklona, elektrofiltera i dr.;moguće je učešće domaće kotlogradnje;svi dosada izgrađeni kapaciteti u EPS-u su na bazi sagorevanja sprašenog uglja u letu;postoji mogućnost obuke i osposobljavanja izvršilaca i dr.
Nedostaci ove tehnologijesu:veliki eksploatacioni problemi u radu (zašljakivanje, erozija, abrazija i korozija kotlovskih grejnih površina);velika emisija gasovitih i čestičnih polutanata u okolinu što zahteva primenu adekvatnih mera zaštite.
Prednosti tehnologije sagorevanja uljnih škriljaca u cirkulacionom fluidizovanom sloju su:potpuna zaštita okoline od emisije sumpornih i azotnih oksida;visoki molarni odnos Ca/S; jednostavna priprema goriva;mogućnost primene škriljaca različite granulacije kao i otpadnih klasa goriva;komercijalno razvijena tehnologija za razne vrste čvrstih goriva i proverena u praksi više od 30 godina;izgrađeni energetski blokovi na ugalj različite jedinične snage;postoje proizvođači kompletne opreme;moguće je učešće domaće kotlogradnje.
Nedostaci su:komercijalizacija tehnologije za uljne škriljce je na početku;tehnologija nije proverena u praksi osim na pilot i demonstracionim postrojenjima;u EPS-u ne postoje izgrađeni kapaciteti na bazi SFS; ne postoji mogućnost obuke izvršilaca; nema eksploatacionih iskustava sa ovom tehnologijom kod nas.
Komercijalna cena kompletnog postrojenja za sagorevanja sprašenog uglja u letu (kotao, turbina, doprema uglja, elektrofiltri, otprema pepela i dr.), bez uređaja za odsumporavanje, kreće se prosečno oko 1100 $/kWe, ili oko 30% više ukoliko supredviđeni sistemi za odsumporavanje i denitrifikaciju. Za uljne škriljace treba računati sa cenom postrojenja 10-15% većom (zbog povećanih dimenzija kotla, drugačijeg načina dimenzionisanja ložišta i grejnih površina, ugradnje veće količine materijala, ugradnje ciklona, duvača pepela, skupljeg sistema transporta pepela zbog većih količina pepela i sl.).
Cena kompletnog postrojenja za sagorevanje komadnog uglja u FS je nešto veća (oko 20%), ali je komparativna onoj za sagorevanje u letu sa sistemima zaštite okoline. Kod opreme za SFS neki delovi postrojenja su jeftiniji (drobilice umesto mlinova) ali su zato neki skuplji. Zato su sa aspekta cene obe tehnologije poredljive tj. sličnog nivoa investicija.
Na osnovu iznetih prednosti i nedostataka obeju tehnologija može se zaključiti da su obe praktično primenjive za domaće uljne škriljce za proizvodnju električne energije. Ipak, imajući u vidu da je jedino EPS u mogućnosti da pokrene projekat korišćenja domaćih uljnih škriljaca smatramo da je tehnologija sagorevanja u letu u prednosti. Ukoliko bi se u narednom periodu izgradilo komercijalno postrojenje (novi ili revitalizovani kotao) na ugalj sa sagorevanjem u fluidizovanom sloju ta tehnologija bi postala aktuelna.
5. ZAKLJUČAK
Uljni škriljci predstavljaju realno veliki energetski potencijal Srbije. Njihovo korišćenje u energetske svrhe uslovljeno je rešavanjem problema njihovog efikasnog i ekonomski isplativog načina sagorevanja. Na osnovu razmatranja korišćenja uljnih škriljaca za direktno sagorevanje u energetskim kotlovima, sa aspekta problema deponije, mlinskog postrojenja i kotlovskog postrojenja za sagorevanje škriljaca,pokazano je da je ovog momenta najpovoljnijatehnologije sagorevanja domaćih uljnih škriljaca u sprašenom stanju.
REFERENCE
[1]Studija “Analiza ekonomske opravdanosti eksploatacije i korišćenja uljnih škriljaca za snabdevanje Niša i Aleksinca toplotnom i električnom energijom”, NP EE 414-21A, Rudarsko-Geološki fakultet i Institut za nuklearne nauke Vinča, Beograd, 2003.
[2]Ots, A.A.: Processy v parogeneratorakh pri szhiganii slancev i Kansko-Achinskikh uglei, Energiya, Moskva, 1977.
[3]Prik, A., Hiltunen, M., Makkonen, P.: Circulating fluidized bed boilers, Oil Shale, Special Edition, 14, (1997), 3, pp.254-264.
[4]Arro, H., Prikk, A., Kasemetsa, J.: Recommendations for design of Estonian CFB oil shale fired CFB boilers, Oil Shale, Special Edition, 14, (1997), 3, pp.246-253.