EMISJA CO2- MOŻLIWOŚCI JEJ OGRANICZENIA

Prezentacja na temat: "EMISJA CO2- MOŻLIWOŚCI JEJ OGRANICZENIA"— Zapis prezentacji:

1 EMISJA CO2- MOŻLIWOŚCI JEJ OGRANICZENIA
POLITECHNIKA CZĘSTOCHOWSKA WYDZIAŁ INŻYNIERII PROCESOWEJ, MATERIAŁOWEJ I FIZYKI STOSOWANEJ KATEDRA PIECÓW PRZEMYSŁOWYCH I OCHRONY ŚRODOWISKA EMISJA CO2- MOŻLIWOŚCI JEJ OGRANICZENIA Mgr inż. Marta Kowalik Mgr inż. Agnieszka Klos Prof. PCZ. Dr hab. inż. Marian Kieloch

2 STRESZCZENIE Dwutlenek węgla zajmuje czołowe miejsce pod względem ilości emitowanych zanieczyszczeń do powietrza. Pochodzi on m.in. z wytwarzania energii elektrycznej i cieplnej, procesów technologicznych oraz komunikacji. Mimo spornych kwestii dotyczących wpływu CO2 na zmiany klimatu jesteśmy zmuszeni do ograniczenia emisji tego związku. Obliguje nas do tego podpisany przez Polskę w 2002r. Protokół z Kioto. W pracy, na podstawie przeglądu literatury i wyników badań własnych, przedstawiono sposoby i metody ograniczenia emisji CO2.

3 Pomimo znaczących postępów w dziedzinie ochrony środowiska poziom zanieczyszczenia atmosfery w Polsce jest nadal wysoki. Za taki stan powietrza odpowiedzialna jest m.in.: emisja gazów toksycznych, oparcie energetyki na węglu, duży transgraniczny przepływ zanieczyszczeń, błędy lokalizacyjne emitorów.

4 PRZYCZYNY ZANIECZYSZCZEŃ POWIETRZA
Zanieczyszczenia gazowe emitowane do powietrza pochodzą z następujących rodzajów działalności: procesów technologicznych (przetwórstwa przemysłowego), mogą to być gazy nieorganiczne: chlorowodór, siarkowodór oraz gazy organiczne: węglowodory, alkohole, estry, oraz pyły, wytwarzania energii elektrycznej i cieplnej powodującego uwalnianie takich zanieczyszczeń jak: dwutlenek węgla, dwutlenek siarki, tlenki azotu, komunikacji- w dużej mierze zanieczyszczenia pyłowe i gazowe

5 WYTWARZANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ I CIEPLNEJ JAKO JEDNA Z GŁÓWNYCH PRZYCZYN EMISJI CO2 W POLSCE
Ze względu na to, iż współczesna cywilizacja ma ogromne potrzeby energetyczne, a spalanie paliw kopalnych odbywa się na masową skalę, emisja CO2 jest nieunikniona. Polska należy do stosunkowo nielicznej grupy krajów, gdzie wytwarzanie energii elektrycznej i ciepła bazuje niemal wyłącznie na stałych paliwach kopalnych: węglu kamiennym i brunatnym (prawie 76%). Także spalanie ropy naftowej i gazu ziemnego wiąże się z emisją CO2. Zużycie paliw w Polsce przedstawiono na rys.1. Rys.1. Zużycie paliw w Polsce

6 Popularność energii, opartej na spalaniu węgla, wynika z faktu zasobności naszego kraju w to paliwo oraz braku znaczących ilości innych nośników energii pierwotnej. Polskie zasoby tego minerału należą do jednych z największych na świecie. Przez wiele lat Polska zajmowała miejsca w pierwszej piątce krajów o największym wydobyciu węgla kamiennego. Według danych z 2007 roku, spadła na 8 miejsce, wydobywając mln ton rocznie (najwięcej węgla kamiennego wydobyto w 1980 roku- ponad mln ton). Czołowe miejsca w rankingu zajmują Chiny i USA. Rys.2. Producenci węgla

7 Energetyczne spalanie węgla ma w Polsce największy udział w wytwarzaniu zanieczyszczeń takich jak: dwutlenek węgla, dwutlenek siarki, tlenki azotu, popioły lotne. W całkowitej masie emisji zanieczyszczeń powstałych w wyniku spalania węgla kamiennego największy udział stanowi dwutlenek węgla (98%). Rys.3. Emisja CO2 wraz z limitami

8 Biorąc pod uwagę obliczenia spalania poszczególnych paliw można stwierdzić, że największa jednostkowa emisja CO2 pochodzi ze spalania węgla kamiennego. Rys.4. Jednostkowa emisja CO2 i H2O

9 EMISJA CO2, A ZMIANY KLIMATU
WARIANT 2 Biorąc pod uwagę najnowsze dane klimat jednak się oziębia. I tak przyglądając się wykresowi średnich temperatur nad lądami i morzami,okazuje się, że badając lata , można mówić o wyraźnej tendencji spadku temperatur, której minimum przypada na styczeń 2008. WARIANT 1 Ocieplenie klimatu jest faktem, i że przez ostatnie 100 lat średnia temperatura na powierzchni Ziemi podniosła się o 0,74K. Aby przekonać sceptyków do ideologii globalnego ocieplenia, pokazuje się lata 90-te ubiegłego wieku, gdzie rzeczywiście temperatura w 1998 r. wzrosła znacząco. Rys.5.Wykres temperatury sporządzony przez UK’s Hadley Climate Research Unit Temperature anomaly

10 PRZYCZYNY ZMIAN KLIMATU
ZEWNĘTRZNE aktywność Słońca WEWNĘTRZNE działalność człowieka, zmiany cyrkulacji w oceanach, zmiany składu atmosfery, wybuchy wulkanów. Rzeczywistym, według sceptyków, sprawcą zmian klimatu na Ziemi jest Słońce, a konkretnie- niewielkie wahania poziomu natężenia promieniowania docierającego do Ziemi.

11 Rys.6. Wielkość emisji CO2 w tonach w przeliczeniu na mieszkańca
WYMAGANIA PRAWNE DOTYCZĄCE EMISJI Podpisany przez Polskę w 2002 r. tzw. Protokół z Kioto (1989r.) nakłada obowiązek znacznego zredukowania emisji CO2. W związku z tym, iż emisja szkodliwych związków do atmosfery staje się poważnym problem, Komisja Europejska wydaje stosowny dokument, który ustala ich limity. Zaakceptowana przez Brukselę wielkość emisji CO2 przedstawia się następująco: Rys.6. Wielkość emisji CO2 w tonach w przeliczeniu na mieszkańca

12 MOŻLIWOŚCI OGRANICZENIA CO2
W ostatnich latach największa uwaga, zarówno rządów– ze względu na obligacje wynikające z Protokołu Kioto jak i środowisk przemysłowych i naukowych, jest skierowana na emisję dwutlenku węgla i możliwość jej ograniczenia.

13 OGRANICZENIE EMISJI CO2 POCHODZĄCEJ ZE SPALANIA WĘGLA
Biorąc pod uwagę, że energetyka polska opiera się w dużej mierze na spalaniu węgla zmniejszenie emisji CO2 można osiągnąć poprzez: poprawę jakości węgla, Poprawa jakości węgla poprzez wzbogacanie bądź brykietowanie umożliwia nam redukcję CO2 do 5%. poprawę sprawności istniejących elektrowni, Redukcję CO2 do 22% można osiągnąć dzięki poprawie sprawności istniejących elektrowni. Uzyskuje się to w konwencjonalnych elektrowniach na parametrach podkrytycznych- osiągalna sprawność to 38-40%; dla instalacji superperkrytycznych i ultrasuperkrytycznych – nawet ponad 45%. Instalacje o takich modułach pracują już w Japonii, USA, Europie, Rosji i Chinach. zastosowanie zaawansowanych technologii Nowoczesne efektywne technologie spalania nakierowane są na poprawę sprawności najbardziej popularnych w świecie instalacji konwencjonalnego spalania pyłu węglowego, spalania w złożu fluidalnym oraz spalania węgla uprzednio zgazowanego. Dzięki tym sposobom możliwa jest redukcja CO2 do 25%.

14 ZASTOSOWANIE ENERGII ODNAWIALNEJ
Zwiększone potrzeby energetyczne, ograniczenie zasobów paliw kopalnych, zmiana temperatury naszej planety, oraz troska o środowisko naturalne wymuszają zwiększenie wykorzystania energii odnawialnej. W światowym bilansie zużycia paliw energia pozyskiwana ze źródeł odnawialnych stanowi ok. 18%. Światowa Komisja Rady Energetycznej przewiduje zwiększenie udziału energii odnawialnej do 2020 r. o 21,3% a nawet o 29,6%. Odnawialne źródła energii stanowią energetykę bardzo elastyczną, wykorzystującą energię pod postacią promieniowania słonecznego, wiatru, wody, ciepła wnętrza Ziemi, a także biomasy. Aktualnie największy udział w energii pozyskiwanej ze źródeł odnawialnych stanowi biomasa. Zaletą stosowania biomasy w przetworzonej postaci (biopaliwa) jest tzw. „zerowy bilans CO2”

15 Objętość spalin wilgotnych
ZMIANA STRUKTURY NOŚNIKÓW ENERGII Znaczne ograniczenie emisji CO2 możliwe jest poprzez zmianę rodzaju paliwa. Obliczenia wykazały, że zastępując węgiel brunatny gazem ziemnym emisję CO2 obniżymy trzykrotnie. Zastępując paliwa kopalne drewnem teoretycznie możliwe jest wyeliminowanie emisji CO2. Tabela.1 Wyniki obliczeń spalania paliw Rodzaj paliwa Objętość spalin wilgotnych Skład spalin- CO2 Wartość opałowa-Wd Emisja CO2 um3/kg MJ/kg kgCO2/MJ Węgiel kamienny 9.7 1.59 23.0 Węgiel brunatny 9.6 1.46 16.0 Drewno 5.8 0.95 13.0 *** Gaz ziemny 11.2* 0.90* 34.5** Olej opałowy 12.6 1.65 42.5 * dla gazu podano w [um3/um3], ** dla gazu podano w [MJ/m3], *** „zerowy bilans” Rozsądnym rozwiązaniem jest stasowanie w energetyce różnych paliw jednocześnie. Współspalanie paliw oznacza brak całkowitego uzależnienia urządzenia energetycznego od jednego paliwa, a także ograniczenie emisji zanieczyszczeń. Największe zastosowanie w tym procesie ma wykorzystanie biomasy lub jej postaci przetworzonej (biopaliw) w procesie spalania z węglem. Równoczesne wykorzystywanie węgla i biomasy, może znacząco poprawić sprawność przetwarzania energii ze źródeł odnawialnych i może być najbardziej ekonomiczną drogą do zwiększenia ich wykorzystania.

16 SKŁADOWANIE CO2 W STRUKTURACH GEOLOGICZNYCH
Wychwytywanie i magazynowanie CO2 jest przedmiotem intensywnych prac badawczych na świecie. Jednym ze sposobów jest technologia CCS ( ang. Carbon Capture and Storage). Koncepcja technologii CCS polega na wychwyceniu dwutlenku węgla powstałego w wyniku spalania węgla w elektrowni węglowej, który następnie w formie ciekłej jest transportowany i składowany w odpowiednich strukturach geologicznych. Poszczególne elementy technologii CCS– różne metody wychwytywania, transportu, czy magazynowania CO2, są już w świecie znane i praktykowane (m.in. w Norwegii, Stanach Zjednoczonych). Brak jednak doświadczenia w ich wykorzystaniu na dużą skalę, wiedzy na temat modyfikacji ich łączenia i efektywności działania oraz skutków magazynowania CO2 przez dłuższy okres czasu. Kluczowym elementem, niezbędnym dla rozwoju technologii CCS w Polsce jest jej akceptacja społeczna. Kształtowanie świadomości społeczeństwa możliwe jest jedynie w oparciu o rzetelne informacje dotyczące technologii i jej bezpieczeństwa. Stąd konieczność rozwoju badań nad możliwymi implikacjami magazynowania CO2 i jego ewentualnego wycieku do środowiska.

17 ZASTOSOWANIE ENERGOOSZCZĘDNYCH TECHNOLOGII PRODUKCYJNYCH
Wpływ technologii procesów nagrzewania na emisję CO2. Emisja dwutlenku węgla jest bezpośrednio związana ze wskaźnikiem jednostkowego zużycia ciepła oraz pośrednio ze stratą stali na zgorzelinę. Emisję dwutlenku węgla w zależności od zużycia ciepła (q) można obliczyć z zależności: Dla gazu ziemnego o składzie: CO2 – 0.1%; O2 – 0.1%; CH4 – 96.7%; C2H6 – 0.6%; N2 – 2.5%, jednostkowa objętość dwutlenku węgla podczas spalania gazu z wartością stosunku nadmiaru powietrza α= 1.05 wynosi m3/m3g. Gęstość CO: ρ0=1.94 kg/ m3. Wartość opałowa gazu Wd= kJ/um3 Lp. M K/h q kJ/kg m’CO2 kg/kgstali z kg/m2 1 100 3428.3 0.188 4.396 2 200 2522.4 0.139 3.394 3 300 2243.9 0.123 3.183 4 400 2120.7 0.117 3.152 5 500 2054.6 0.113 3.171 6 600 2010.8 0.111 3.186 7 700 1980.6 0.109 3.227 Tabela 2. Zestawienie wyników obliczeń emisji CO2 w zależności od zużycia ciepła i straty stali

18 Stratę ciepła na kilogram traconej stali obliczono z zależności:
Obliczenia wykonano dla pieca grzewczego, którego komora grzewcza ma długość L = 28 m, wsad stanowią slaby o grubości 2s = 0,3 m i długości l = 5m. Przyjęto, że: powierzchnia nagrzewanego wsadu: F = 300 m2; objętość wsadu: V = 42 m3; gęstość wsadu: ρ = 7850 kg/m3; masa wsadu m = kg. Stratę stali w odniesieniu do kilograma nagrzewanego wsadu ujmuje zależność Stratę ciepła na kilogram traconej stali obliczono z zależności: W obliczeniach średnią wartość energochłonności produkcji stali przyjęto q´ = kJ/kg. .

19 Tabela 3. Zestawienie wyników obliczeń emisji CO2 w zależności od zużycia ciepła i straty stali
Lp. M K/h q kJ/kg m’CO2 kg/kgstali z kg/m2 z’ kg/kg q” m”CO2 kg/kg stali ΣmCO2 1 100 3428.3 0.188 4.396 140.0 0.0077 0.1957 2 200 2522.4 0.139 3.394 108.2 0.0059 0.1449 3 300 2243.9 0.123 3.183 101.5 0.0056 0.1286 4 400 2120.7 0.117 3.152 100.4 0.0055 0.1225 5 500 2054.6 0.113 3.171 101.2 0.1186 6 600 2010.8 0.111 3.186 0.1166 7 700 1980.6 0.109 3.227 102.9 0.0057 0.1147

20 Emisję CO2 obliczono z zależności (1)
Emisję CO2 obliczono z zależności (1). Wyniki obliczeń zamieszczono w tabeli 2. Wpływ szybkości podgrzewania na emisję CO2´, CO2´´ i sumę CO2 zamieszczono na rys. poniżej. Rys.7. Wpływ szybkości podgrzewania na emisję CO2´, CO2´´i sumę CO2

21 Zakładając, że walcownia produkuje 1000000 t/rok stali emisja CO2 wyrażona w kg/rok wyniesie:
Dla szybkości podgrzewania M=100 K/h: Natomiast, zakładając szybkość podgrzewania M = 700 K/h, emisja CO2 wyniesie: Dla walcowni o wydajności 1 mln t/rok ograniczenie emisji CO2 wyniesie t/rok. Stanowić to będzie od 10 do ponad 30 mln zł rocznie w zależności od kosztu uprawnienia do emisji (30 do 100 euro za tonę). Wykonane obliczenia wskazują, że zmniejszając szybkość podgrzewania z K/h lub zmniejszając wydajność pieca z 188 do 27 t/h emisja CO2 wzrasta o ponad 70%. Na podstawie wyników przeprowadzonych analiz i obliczeń można sprecyzować następujące wnioski: Szybkość procesu nagrzewania ma istotny wpływ na zużycie ciepła, stratę stali na zgorzelinę i emisję CO2. Wyniki emisji CO2 jest bezpośrednio związana ze wskaźnikiem jednostkowego zużyciem ciepła i pośrednio ze stratą stali.

22 STWIERDZENIE I WNIOSKI KOŃCOWE
1. Wytwarzanie energii elektrycznej i cieplnej, procesy technologiczne oraz komunikacja wprowadza do środowiska bardzo dużą liczbę zanieczyszczeń szczególnie dwutlenku węgla. 2. Podstawową zasadą ochrony środowiska w Polsce jest w świetle uwarunkowań prawnych zapobieganie zanieczyszczeniom. 3. Podpisany przez Polskę w 2002r. tzw. Protokół z Kioto, nakłada obowiązek znacznego zredukowania emisji zanieczyszczeń dla zrównoważonego rozwoju energetycznego kraju. 4. Możliwość ograniczenia CO2 ze spalania węgla kamiennego możemy osiągnąć poprzez: poprawę jakości węgla, modernizację urządzeń wytwórczych, modernizację, wymianę, bądź budowę urządzeń ochronnych.

23 STWIERDZENIE I WNIOSKI KOŃCOWE
5. Zaletą energii odnawialnej jest minimalny wpływ na środowisko naturalne. 6. Znaczne ograniczenie emisji CO2 możliwe jest poprzez zmianę struktury nośników energii. 7. Technologia CCS jest przyszłościową metodą składowanie CO w strukturach geologicznych. 8. Zastosowanie energooszczędnych technologii produkcyjnych umożliwia ograniczenie emisji CO2. 9. Praca przemysłowych pieców grzewczych, przy dużej wydajności (szybkości podgrzewania), powoduje zmniejszenie emisji CO2 do atmosfery.

24 Dziękuję za uwagę