توليد الكتريسيته از زغال‌سنگ در نيروگاههاي سيكل تركيبي
با روند روزافزون صنعتي شدن اكثر كشورهاي در حال توسعه و افزايش جمعيت در جهان، نياز به انواع مختلف انرژي مخصوصاً انرژي الكتريكي روز به روز در حال افزايش است. با وجود پيشرفت فناوري‌هاي نوين كه استفاده از انرژي‌هاي نو و انرژي‌هاي تجديد‌پذير را مقدور مي سازند، هنوز سوخت‌هاي فسيلي جزء منابع انرژي هستند كه بيشترين نياز صنعت را فراهم مي سازند.
با توجه به تجديد‌ناپذير بودن اين منابع و ارزش بالاي صنعتي اين مواد به عنوان ماده اوليه، استفاده بهينه و افزايش راندمان مصرف اين مواد هم‌اكنون سرلوحه كار بسياري از مراكز تحقيقاتي و پژوهشي جهان است.
زغال‌سنگ از جمله منابع انرژي است كه از ديرباز مورد استفاده بشر بوده است و با توجه به اثرات سوء زيست‌محيطي ناشي از فرآيند احتراق زغال‌سنگ، كوشش‌هاي فراواني به منظور ابداع روشها و فنآوريهاي نوين درجهت كنترل و كاهش آلودگي حاصل از اين فرآيند و افزايش راندمان آن صورت گرفته است. اين تلاشها با نوسانات قيمت ساير انواع سوخت‌هاي فسيلي و تصويب قوانين سختگيرانه زيست‌محيطي در سالهاي اخير از روند رو به رشدي برخوردار بوده است. غني بودن كشور ما ايران از منابع نفت و گاز سبب شده است كه صنعت‌برق از ابتداي تاسيس به دليل سهولت دسترسي و هزينه پايين، بيشتر از منابع نفت و گاز جهت توليد الكتريسيته استفاده كرده و از منابعي نظير زغال‌سنگ كمتر استفاده مي‌شود. روند رو به رشد صنايع پتروشيمي در جهان و قابليت تبديل فرآورده‌هاي نفتي به مواد با ارزش افزوده بالاتر باعث شده است كه در كشورهاي پيشرفته جهان استفاده از اين مواد به عنوان سوخت به تدريج تقليل يابد به طوري كه د رحال حاضر ايالات متحده كه بر حسب آمار جزء ده كشور غني از منابع نفت و گاز است قسمت عمده الكتريسيته توليدي (56 درصد) از زغال سنگ ايجاد كند.
با توجه به اطلاعات اخذ شده از وزارت صنايع و معادن، ايران داراي معادن عظيم زغال‌سنگ است به طوري كه تنها در منطقه طبس در استان يزد معادني با ذخيره بيش از يك ميليارد تن برآورد شده است وجود منابع عظيم زغال سنگ دركشور و خصوصاً در منطقه طبس ضرورت استفاده بهينه و بهره‌برداري از اين موهبت الهي را ايجاب مي‌كند. ميزان ذخاير زغال‌سنگ اين معادن بسيار بالاتر از مقدار مورد نياز صنايع فولاد است استفاده از انرژي حرارتي اين مواد و توليد الكتريسيته به عنوان يك آلترناتيو مهم در برنامه‌هاي دولت مطرح است. با توجه به اينكه ايران داراي ذخاير عظيم گاز نيز است استفاده از زغال‌سنگ به عنوان سوخت ممكن است در نظر اول از لحاظ اقتصادي توجيه‌پذير نباشد. با اينحال با توجه به سهولت صادرات نفت و گاز نسبت به زغال‌سنگ با در نظر گرفتن ارزش افزوده حاصل از صادرات نفت و گاز و ضرورت بهره‌برداري از اين منابع، بررسي راهكارهاي موجود در جهت استفاده بهينه و ايمن از منابع زغال‌سنگ ضروري است. در اين مقاله يك روش مناسب كه اخيراً در كشورهاي اروپايي و آمريكا براي استفاده از انرژي حرارتي زغال مطرح است معرفي شده است.
فنآوري مصرف زغال‌سنگ به عنوان سوخت در نيروگاهها
در حال حاضر بيش از 90 درصد نيروگاههايي كه در سطح دنيا از طريق مصرف زغال سنگ فعال هستند از تكنولوژي پودر كردن زغال (PC) استفاده مي‌كنند. ايالات متحده و چين جزء مهمترين كشورهايي هستند كه قسمت اعظم الكتريسيته خود را از اين طريق تامين مي‌كنند. هزينه تاسيس، قابليت واحد و كارايي اين نوع سيستم‌ها با درجه اطمينان بالايي قابل پيش‌بيني است. فوايد اقتصادي اين نوع سوخت نسبت به ساير سوخت‌ها بستگي به هزينه تامين زغال و دسترسي به ساير منابع سوختي دارد در صورت وجود گاز طبيعي استفاده از سوخت زغال بصورت معمولي قابل رقابت با نيروگاههاي حرارتي با سوخت‌هاي مايع و گاز طبيعي نيست. در غياب مقادير كافي گاز طبيعي تكنولوژي PC يك راه‌حل اقتصادي براي تامين انرژي بويژه در كشورهايي كه داراي منابع عظيم زغال هستند، است.
با اينحال تكنولوژي PC داراي نقاط ضعفي نيز هست. نخست آنكه توليد الكتريسيته بر اساس تكنولوژي PC
موجب انتشار وحشتناك موادي نظير
CO, CO2, NOX, SO2، ذرات معلق و فلزات سنگين مي‌شود كه باعث آلودگي محيط‌زيست مي‌شوند. دومين نقطه ضعف تكنولوژي PC پايين بودن راندمان اين تكنولوژي در مقايسه با ساير تكنولوژيهاي موجود است. به عنوان مثال با وجود اينكه راندمان حرارتي نيروگاههاي سيكل تركيبي كه از گاز طبيعي به عنوان سوخت استفاده مي‌كنند طي ده سال گذشته از 45 درصد تا حدود 60 درصد افزايش يافته است راندمان حرارتي واحدهاي با تكنولوژي PC در بهترين حالت تنها از 30 درصد افزايش يافته است.
تلاشهاي انجام گرفته در جهت كنترل آلودگي و افزايش راندمان در نيروگاههاي زغالي كه بصورت عمومي تحت عنوان Clean Coal Initiatives شناخته مي‌شود شامل تنوعي از فرآيندها، تجهيزات و تكنولوژي‌ها است. برخي از اين تكنولوژي‌ها از قبيل شست‌وشوي زغال شامل فرآيند پيجيده‌اي نيست، در حاليكه اصلاح راندمان و ميزان آلودگي انتشار يافته نياز به تغيير در تكنولوژي توليد نيرو دارد.
در طول ده سال گذشته برنامه‌هاي بيشماري در جهت توسعه و اقتصادي كردن روشهاي استفاده از زغال بدون آلودگي انجام گرفته است. اين برنامه‌ها در دهه 1980 ميلادي به جهت بحران نفت در دهه 1970 و به دنبال كاهش اعتماد جهاني نسبت به منابع نفتي وخطرات توليد برق در نيروگاههاي اتمي بصورت جدي مورد توجه قرار گرفت و در اين راستا تلاشهايي در جهت كنترل آلودگيهاي منتشر شده از واحدهاي زغال‌سوز وبالا بردن راندمان اين واحدها در مراكز تحقيقاتي كشورهاي پيشرفته نظير آمريكا، اروپا و ژاپن از مدتها قبل آغاز و به پيشرفت‌هاي شاياني در اين زمينه منجر شده است. اگر چه كاهش قيمت نفت در سال 1986 و پيدايش ذخاير عظيم گاز باعث از بين رفتن ذهنيت كمبود منابع نفتي شد و مساله جايگزيني فرآورده‌هاي نفتي با زغال تا اندازه‌اي جذابيت خود را از دست داد با اينحال در سال 1990 علاقمندي جديدي به توسعه روشهاي استفاده از زغال بدون آلودگي مورد توجه قرار گرفت اين علاقمندي‌ها در راستاي شرايط زير بود:
– افزايش آگاهيهاي عمومي در مورد مشكلات زيست‌محيطي منطقه‌اي، بومي و جهاني از قبيل آلودگيهاي شهري بارانهاي اسيدي و تغيير آب وهوا
– مشخص شدن سيماي آينده انرژي براي كشورهايي نظير چين وهندوستان كه داراي منابع عظيم زغال‌سنگ هستند و در آينده مصرف زغال سهم عمده‌اي در تامين انرژي اين كشورها دارد
– توسعه صنايع پتروشيمي وتبديل فرآورده‌هاي نفتي به محصولات با ارزش
– توسعه سريع مصرف زغال به واسطه افزايش جمعيت و تقاضاي انرژي در كشورهايي كه داراي منابع عظيم زغال هستند
وجود موارد فوق سبب شد فنآوريهاي جديدي به منظور مصرف زغال سنگ درجهت توليد الكتريسيته ابداع شود كه از جمله اين فن‌آوري‌ها مي‌توان موارد زير را كه به مرحله تجارتي نيز رسيده‌اند نام برد:
1- Circulating Fluidized Bed
Combustion (CFBC)
2- Supercritical Pulverized Coal Fired Boilers (SCPC)
3- Pressurized Bed Combustion (PFBC)
4- Integrated Gasification Combined Cycle, (IGCC)
معرفي فناوري تبديل زغال‌سنگ به گاز سنتز
حدود نيم قرن است كه فنآوري توليد گاز سنتزي از زغال‌سنگ در صنعت مورد بهره‌برداري قرار گرفته است ولي سابقه كاربرد اين روش در نيروگاههاي حرارتي به ده سال اخير محدود است. با وجود تفاوتهاي مشخصي كه بين انواع سيستم‌هاي توليدگاز سنتزي وجود دارد، اصول پايه و اوليه يكساني بر تمام اين روشها حاكم است.
بطور كلي در اين سيستم‌ها سوخت‌هاي كربني (گاز – مايع – جامد) در دماي بالا و تحت فشار طي يك فرآيند اكسيداسيون با اكسيژن و بخار آب وارد واكنش شده و توليد گاز سنتزي مي‌كنند.
مكانيسم ساده اين فرآيند به شرح زير است:
گاز سنتزي حاوي 85 درصد H2, CO بوده و برحسب تركيب درصد زغال‌سنگ مصرفي 15 درصد باقي‌مانده معمولا COS, H2S, N2, CO2, H2O است كه در مرحله تصفيه گاز اين تركيبات از آن جدا مي‌شوند.
در جدول 1 مشخصات كلي يك سيستم نمونه توليد گاز در نيروگاه الكتريكي آورده شده است.
معرفي تكنولوژي استفاده از گاز بدست آمده از زغال‌سنگ در يك نيروگاه سكيل تركيبي (IGCC)
IGCC يك سيستمي مركب از يك واحد تبديل زغال به گاز و يك سيكل تركيبي توليد برق است. تبديل زغال به گاز فرآيندي است كه زغال جامد را به گاز قابل احتراق كه تحت عنوان گاز سنتز معروف است و متشكل از منواكسيد كربن و هيدروژن است تبديل مي‌كند. بعد از اين مرحله گاز توليد شده در واحد گازسازي به منظور زدايش تركيبات گوگردي و مواد معلق به يك واحد تصفيه گاز فرستاده مي‌شود. در مرحله بعد گاز تصفيه شده در يك واحد توربين گازي سوخته شده و اولين منبع الكتريسيته راايجاد مي‌كند. گازهاي داغ خروجي از توربين گاز جهت توليد بخار و توليد الكتريسيته به وسيله توربين بخار به يك بويلر بازياب حرارتي وارد مي‌شود. در نتيجه تكنولوژي IGCC يك روش تركيبي از واحد گازسازي به همراه يك مجموعه نيروگاه سيكل تركيبي است. علاوه بر اين به واسطه انجام چندين فرآيند حرارتي در اين سيستم (گرمايش – سرمايش) مي‌توان با بكارگيري يك طراحي مناسب سيستم مجتمعي از مبدل‌هاي حرارتي طراحي كرده و كارآيي سيستم را افزايش داد. در شكل 1 شماي ساده‌اي از سيستم IGCC نشان داده شده است.
راندمان و كارآيي نيروگاههاي مجهز به فنآوري IGCC در قياس با نيروگاههاي رايج زغال‌سوز
بطور تقريبي يك نيروگاه با فنآوري Kg/KWh, IGCC46/0 زغال‌سنگ مصرف مي‌كند اين در حالي است كه در نيروگاههاي معمولي زغال‌سوز مقدار مصرف زغال Kg/KWh6/0 است. دليل عمده كاهش مصرف زغال در اين نيروگاهها بهره‌گيري از سيستم سيكل تركيبي است.
در شكل 2 راندمان تكنولوژي IGCC با راندمان ساير تكنولوژيهاي مورد استفاده در نيروگاههاي زغال‌سوز مقايسه شده است در اين مقايسه كارآيي بر اساس بيشترين ارزش حرارتي HHV ارايه شده است.
همانطور كه در شكل 2 مشاهده شد كارآيي فنآوري IGCC درمقايسه با ساير روشها بالاتر بوده و تنها در صورت استفاده از زغال مرغوب (زغال سياه) با روش PFBC تقريباً مشابه است هزينه سرمايه‌گذاري در ايجاد نيروگاههاي الكتريكي مجهز به تكنولوژي يكي از پارامترهايي است كه تا اندازه‌اي باعث محدوديت استفاده از اين تكنولوژي مي‌شود. درجدول 2 هزينه ساخت نيروگاه مجهز به فنآوري IGCC و راندمان اين سيستم‌ها با ديگر نيروگاههاي زغال‌سوز مقايسه شده است.
همانطور كه مشاهده مي شود هزينه احداث نيروگاههاي مجهز به سيستم IGCC از ساير نيروگاههاي زغال سوز بالاتر است در عوض راندمان اين نيروگاهها از ساير موارد مشابه بالاتر است. در شكل 3 الگويي از روند افزايش راندمان و كاهش هزينه‌هاي ساخت تكنولوژي IGCC نشان داده شده است. همانطور كه از شكل 3 مشاهده مي شود هزينه ساخت نيروگاههاي زغال‌سوز با سيستم IGCC از $/KW3000 در دهه 1980 ميلادي تا حدود $/KW1450 در سال 1997 كاهش يافته و انتظار مي‌رود در طول سالهاي قرن 21 اين كاهش ادامه داشته و در عوض راندمان اين نيروگاهها افزايش يابد.
بررسي اثرات زيست‌محيطي و استفاده از منابع اوليه نيروگاههاي زغال سوز با تكنولوژي IGCC نسبت به ساير نيروگاههاي زغال‌سوز
از اواخر قرن گذشته ميلادي به دليل مشكلات متعدد زيست‌محيطي ناشي از توسعه صنعتي كشورها، قوانين قاطعانه‌اي در مقابل ورود آلاينده‌ها به محيط‌زيست از طرف سازمانهاي بين‌المللي تصويب شده و به مرحله اجرا درآمده است. اثر گازهاي گلخانه‌اي، كاهش لايه ازن و … منجر به تشديد مجازات‌هاي بين‌المللي وضع شده، بر عليه دولت‌ها و صنايعي كه به هر شكلي استانداردهاي محيط‌زيستي را رعايت نمي‌كنند شده است. بطوريكه در حال حاضر بسياري از صنايع در اروپا و ساير نقاط جهان در شرف تعطيلي و يا با محدوديت‌هايي روبرو هستند. هم اكنون سرمايه‌گذاري بر روي صنايع بنيادي با حداقل اثرات سوء زيست‌محيطي در اولويت برنامه‌هاي توسعه‌اي كشورها قرار گرفته است.
در ميان تكنولوژيهاي مرسوم توليد الكتريسيته از زغال فنآوري IGCC در مقايسه با ساير فنآوريهاي رقيب داراي محاسن محيط‌زيستي فراواني است.
از مهمترين مزاياي اين روش مي‌توان به موارد زير اشاره كرد:
– كاهش ذرات معلق و جامد حاصل از احتراق زغال‌سنگ
– كاهش انتشار گازهاي NOX و SOX
– كاهش نشر گازهاي CO و CO2 بدليل بهبود احتراق و افزايش راندمان فرآيند
در جدول 3 ميزان آلاينده‌هاي توليدشده درسه نيروگاه به ترتيب سيكل تركيبي با سوخت گاز طبيعي، سيكل تركيبي مجهز به تكنولوژي IGCC و نيروگاه زغال‌سوز معمولي با يكديگر مقايسه شده است.
در جدول 4 ميزان انتشار آلاينده‌ها و ميزان مصرف آب در تكنولوژيهاي جديد استفاده از زغال‌سنگ با تكنولوژي PC مقايسه شده است. با توجه به اطلاعات جداول فوق ملاحظه مي شود كه ميزان نشر آلاينده‌ها در فنآوري IGCC نسبت به ساير تكنولوژي‌ها كمتر بوده و ميزان مصرف آب نيز در اين فنآوري به مقدار قابل ملاحظه‌اي كمتر است.
بررسي مزاياي فني تكنولوژي IGCC نسبت به ساير تكنولوژي‌ها
در تكنولوژي IGCC، در طي فرآيند توليد گاز سنتزي از زغال‌سنگ تقريباً 100 درصد كربن موجود در زغال‌سنگ به گاز سنتز تبديل مي شود. در اينحال گوگرد موجود در زغال‌سنگ به صورت عنصري يا اسيد سولفوريك از گاز سنتزي حذف مي‌شود بطوري كه در اين فنآوري حدود 98 درصد گوگرد از جريان گاز حدف شده و ضايعات جامد حاصل از اين مرحله به ميزان 6/1 تا 9/1 مقدار ضايعات جامد حاصل از سيستم FGD2 كه در نيروگاههاي زغال سوز مرسوم براي كاهش نشر گوگرد بكار مي‌رود، كاهش مي‌يابد.
در فنآوري IGCC به دليل دماي بالاي راكتور (1400 درجه سانتي‌گراد) خاكستر و مواد معدني موجود در زغال‌سنگ از قبيل آلومينيوم سيليس، فلزات سنگين و … به مواد بي‌اثر به شكل گرانول تبديل مي‌شوند كه گرانولهاي حاصله كاملاً غيرسمي بوده و داراي PH خنثي هستند. علاوه بر اين مواد حجم كمي اشغال كرده و در زيرسازي جاده‌ها و صنعت ساختمان كاربرد دارند.
در شكلهاي 4 و 5 به ترتيب ميزان حجم ضايعات توليدي و هزينه دفع اين ضايعات در فنآوريهاي مختلف مصرف زغال به عنوان سوخت در نيروگاهها با يكديگر مقايسه شده است.
همانطور كه در شكلهاي فوق ملاحظه مي‌شود ميزان توليد ضايعات و هزينه دفع اين ضايعات در تكنولوژي IGCC نسبت به ساير تكنولوژيهاي موجود بسيار كمتر است.
علاوه بر مزاياي فوق اين تكنولوژي مزاياي منحصر به فرد ديگري را نيز دارا است كه به طور خلاصه شامل موارد ذيل است:
– عاري‌سازي گاز حاصل از زغال از سولفور و ساير مواد آلاينده شامل ذرات معلق
– استفاده از گرماي باقي‌مانده در گازهاي خروجي از واحد توربين گاز در يك بويلر بازياب حرارتي و توليد الكتريسيته در يك توربين بخار كه موجب افزايش راندمان سيستم مي‌شود.
– امكان استفاده از گاز طبيعي به عنوان سوخت كمكي و تداوم توليد نيروگاه در مواردي كه در سيستم تامين زغال سنگ و توليد گاز نيروگاه مشكلاتي به وجود آمده باشد.
– كاهش اندازه سيستم تصفيه گازهاي ورودي به اتمسفر، در اثر تصفيه گاز خروجي از سيستم توليد گاز قبل از احتراق در توربين گاز و كاهش حجم آلاينده‌هاي توليد شده
– حفاظت تجهيزات پايين دستي نظير توربين گاز از مسائل جانبي نظير خوردگي به واسطه زدايش تركيبات خورنده نظير تركيبات گوگردي
– كاهش ميزان آب مصرفي نسبت به برق توليد شده در مقايسه با ساير تكنولوژيهاي رقيب
– امكان بازيابي CO2 از جريان گاز سنتز وتزريق آن به معادن زغال سنگ جهت استخراج متان
نتيجه‌گيري:
در مقاله فوق يك روش بهينه براي استفاده از انرژي حرارتي زغال‌سنگ تحت عنوان IGCC مطرح شد اين سيستم در واقع متشكل از يك نيروگاه سيكل تركيبي در مجاورت يك واحد توليد و تصفيه گاز سنتز از خوراك زغال‌سنگ است. سيستم توليد گاز زغال‌سنگ را به گاز سنتز كه عاري از آلودگي است تبديل مي‌كند و در اثر سوختن اين گاز در نيروگاه سيكل تركيبي الكتريسيته ايجاد مي شود. به واسطه تصفيه گاز حاصل از زغال قبل از احتراق از ظهور مقدار زيادي از آلودگي‌ها كه در اثر احتراق مستقيم زغال‌سنگ درنيروگاههاي زغال‌سوز معمولي ايجاد مي‌شود جلوگيري بعمل مي‌آيد. علاوه بر اين به دليل تبديل زغال به گاز امكان استفاده از زغال‌سنگ با مرغوبيت پايين و رطوبت بالا بدون تغيير و يا كاهش بار نيروگاه وجود دارد. از ديگر مزاياي اين سيستم مي‌توان به كاهش خسارت‌هاي ناشي از خوردگي در اين نوع نيروگاهها اشاره كرد. درحال حاضر 5 نيروگاه در دنيا از تكنولوژي IGCC استفاده مي‌كنند كه سه نيروگاه در آمريكا و دو نيروگاه ديگر در اروپا و در كشورهاي هلند و اسپانيا مشغول فعاليت هستند. در نيروگاههاي مستقر در آمريكا از توربين جنرال‌الكتريك و در نيروگاههاي اروپا از تكنولوژي زيمنس استفاده شده است. به استثناي نيروگاه مستقر در اسپانيا كه داراي ظرفيت 300 مگاوات است. ساير نيروگاههاي مورد اشاره داراي ظرفيت 250 مگاوات است. همانطور كه در مقاله نيز عنوان شد هزينه تاسيس اين واحدها برخلاف راندمان آنها در حال كاهش است بطوريكه ساير كشورهاي جهان نظير چين و هند كه از پتانسيل زغال بالايي برخوردار است در شرف تاسيس نيروگاههايي با تكنولوژي IGCC هستند. با توجه به اينكه در ايران تاكنون سابقه‌اي از اجرا و كاربري نيروگاههاي زغال‌سوز وجود ندارد بررسي تكنولوژي IGCC و اجراي آن يك راهكار مناسب براي استفاده از زغال سنگ وتوليد الكتريسيته است.