Mezní možnosti snižování CO 2

Transkript

1 Mezní možnosti snižování CO 2 Ing.Miloš Cikrt Snižování emisí CO 2 z cementářského a vápenického průmyslu je složitý problém, protože jich 65 % u cementu a 71 % u vápna vzniká jako produkt dekarbonizace, tedy bez možnosti ovlivnění vlastním procesem výpalu. Ten byl v posledních desetiletích zásadně optimalizován a hluboce snížena spotřeba paliv a tím emise palivového CO 2. Je nutno uvědomit si limity, na které dnes již narážíme. Nové ve světě navrhované metody jsou velice zajímavé, ale i vysoce náročné. Zachycování CO 2 a jeho skladování v podzemních prostorách nebo v oceánech, právě tak jako jeho cílená biologická likvidace. Jde ovšem o vazbu na celosvětový ekosystém a proto je zajímavé podívat se na schéma NASA o bilanci CO 2 na této planetě. 44

2 1 - Snižování spotřeby tepla na výpal Cementářské disperzní výměníky tepla 50 let postupné aplikace, vylepšování, kombinace s účinnými roštovými chladiči a předkalcinací, nově i 5 nebo 6 stupňů srovnání : mokrý výrobní způsob dlouhé pece 7,0 5,6 GJ/t slínku suché pece dlouhé nebo s kotli na odpadní teplo 5,4 4,2 GJ/t s výměníky tepla, roštovými chladiči a ev. předkalcinací 3,3 3,0 GJ/t Limity: uvedený obrovský přínos změny technologie je možný jen ve státech, kde dosud úplně neproběhla / Čína, Rusko, USA/ u nás 100 % od roku navíc 5. příp. 6. stupeň výměníku - investičně reálné u nových kapacit, technicky místně limitováno potřebou tepla pro sušení surovin, přínos jednoho stupně cca 0,08 GJ/t, tedy 2,6 %, snížení CO 2 jen 0,9 % Vápenické pece vývoj složitější vzhledem k náročným a různorodým jakostním požadavkům a vzhledem k různosti surovin srovnání: rotační pece s předehřívačem nebo dlouhé 6,0 5,0 GJ/t šachtové pece s vnitřním nebo vnějším vytápěním 4,0 3,6 GJ/t šachtové pece regenerativní 3,6 3,3 GJ/t Limity: jde o základní chemickou surovinu pro průmysl i ekologii, technologii nutno volit podle požadované kvality, u nás regenerativní pece 60 % tvrdý výpal lze dosáhnout u rotačních pecí při zvýšení 3 4 % CO 2, u šachtových pecí s vnitřním topením lze získat jakost pro pórobeton, u regenerativních pecí jsou možnosti tvrdého výpalu omezené na př. snížení plášťových ztrát rotačních pecí o 10 % přinese pokles CO 2 jen o 0,7 %, u šachtových pecí je to ještě řádově méně Poznámka: Průměrné roční spotřeby, včetně všech ztrát, jsou o 5 10 % vyšší než výše uvedené garanční, v ČR je průměr u cementu 3,5 GJ/t a u vápna 3,8 GJ/t. 2 - Změna používaných paliv Vliv různých paliv podle jejich výhřevnosti a obsahu C, emisní faktor kg CO 2 /GJ: uhlí 93, těžký topný olej 77, zemní plyn 55, kapalné odpady 80, komunální odpad 108, dřevní odpad 112, použité pneumatiky 85, biomasa 110, vodík 0 Limity: každý stát má palivo energetické zdroje v určité skladbě, je účelné, aby na př. uhlí spalovaly podniky s odprášením a odsířením / cement, energetika/ a zemní plyn drobní spotřebitelé naopak pro výrobu vápna je nutno volit palivo odpovídající nárokům na chemické složení vápna. 45

3 2.2 - Alternativní paliva výhodně zhodnocují cementárny, zneškodňují škodliviny v nich obsažené, u nás v r. 2006: použité pneumatiky 8,4 %, jiná tuhá paliva 17,5 %, kapalná paliva 8,6 %, biomasa 4,4 %, celkem 38,9 % příkonu pecí cementáren. Ve vápenkách je využití nižší. Limity: při použití alternativních paliv přímé emise CO 2 většinou mírně rostou / horší parametry paliva, často i emisní faktor /. Přínos se projeví až při celospolečenském hodnocení ve vápenkách lze používat jen některá alternativní paliva podle typu pece / rotační jsou ve výhodě / a hlavně chemismu vápna. 3 - Změny v technologii výroby Dílčí změny surovin a přísad snížení CO 2 při použití alternativní suroviny s CaO vázaným nekarbonátově, daleko důležitější je rozvoj cementářských přísad : faktor slínek / cement celosvětově: ,90, ,85 v ČR: ,74, v současnosti 0,81 Limity: využívání surovin s nekarbonátovým CaO je omezeno dostupností vhodných materiálů, nedostatečným obsahem CaO a nižší reaktivitou cement je klíčový polotovar, konečným produktem je beton / úsporný energeticky i z hlediska CO 2 /, vyšší směsnost cementu je výhodná pokud nezhorší skladbu daného druhu betonu např. japonský test: VPC se 45 % strusky / 4400 Bl./ - na cement dá -36 % CO 2 a na beton 32 % CO 2 / všechny energie /, při stejném obsahu cementu pevnost betonu za 3 dny 34 %, za 28 dní + 9 % Výroba něčeho jiného t.j. mimo oblast portlandských slínků - slínky BCSAF belit, sulfoaluminát vápenatý, aluminoferit váp. nižší obsah CaO, nižší CO 2 o cca 25 % - geopolymery aktivované alkalickými hydroxidy nebo silikáty, nároky: elektrická energie a ceny aktivátorů - cement + kyselina sírová, zjednodušené schéma: 3CaSO 4 + SiO 2 + 3H 2 O = Ca 3 SiO 5 + 3H 2 SO 4 Limity: jako u je konečným cílem beton, vyvolání zásadních změn, betonářská technologie je rozsáhlá věda - v celém světě kalkuluje s portlandským a směsným portlandským cementem jako konstantou Vápno - zpětná vazba Změny typu 3.1 nebo 3.2 nemožné, jde o výrobu čisté chemikálie, naopak důležitá je zpětná vazba CO 2 při některých směrech použití vápna, tedy vlastně návrat CO 2 z dekarbonizace. Limity: nejde o snížení přímých emisí CO 2 vápenky, ale o celospolečenský velký přínos, tedy problémy s prokazováním a uplatněním. 46

4 4 - Zachycování a uskladnění CO 2 CCS Carbon Capture and Storage - velmi propagováno v energetice Zachycování před spalováním / aktivity petrolejářských společností / - palivo / ropa, uhlí / je částečně oxidováno a provedena konverse vodní parou CO + H 2 O = H 2 + CO 2, pak je CO 2 separováno a jako palivo slouží plyn s převahou H 2 Limity: u cementáren a vápenek vzniknou stejně 2/3 CO 2 dekarbonizací a nutno znovu řešit Zachycování po spalování - odprášení a oddělení CO 2 ze směsi spalných plynů - separační metody: - skrápění monoethanolaminem / MEA / a desorpce - absorpce a desorpce s MEA s použitím membrán - užití molekulárních sít / uhlíkový monolit / - tlaková a teplotní adsorpce /PTSA/ na zeolit - desorpce při 50 až 100 C Limity: náročné investičně i provozně / řeší velká energetika / Uskladnění do zemských vrstev - navrženy četné varianty podle možností lokalit: - vodonosné solné porézní vrstvy / vytlačení vody /, často i pod nepropustným mořským dnem - naftová a plynová ložiska před dotěžením vytlačení zbytkových partií umožní prodloužení těžby - uhelné porézní vrstvy, obsahují CH 4 /nad 90 %/,CO 2 a N 2, ale CO 2 má vyšší afinitu k uhlí než methan, ten je později uvolněn a může být využit - solné pánve lze využít prostory po vyplavení solí vodou - staré důlní prostory Limity: nebezpečí průniků u vodních a uhelných vrstev - ložiska ropy a plynu jsou často široce plošně rozložena - nebezpečí koroze - nestabilita a vyplavování solných pánví - vysoké investiční a provozní náklady 47

5 4.4 - Uskladnění CO 2 do oceánů - ty dnes obsahují Gt C, proti Gt v biosféře a 750 Gt v atmosféře, oceán přirozeně absorbuje 85 % současných lidských emisí, jsou navrhovány četné metody : - tlakové rozprašování v hloubce pod 1000 m, drobné kapičky usnadní rozpuštění ve vodě - směs CO 2 a mořské vody je vháněna do oblasti 500 až 1000 m - suchý led CO 2 je rozptylován na povrch oceánu - kapalný CO 2 je vháněn do hloubky cca 1000 m - vytváření stabilního jezera CO 2 v hloubce 4000 m Limity: dnešní atmosférická koncentrace CO ppm určuje podíl v oceánech, otázkou je tedy budoucí vývoj, modely ukazují, že v hloubce 3000 m bude 75 % C uskladněno více než 500 let obava je ze změny ph v dotčených vrstvách s negativním vlivem na organismy náklady rostoucí s hloubkou aplikace 5 - Biologická likvidace CO Přírodní likvidace je samozřejmě nejdůležitější lesy / pralesy / mají asimilační kapacitu 300 t CO 2 na km 2 za rok, jiné porosty mají kapacitu nižší, velmi významná je činnost mořských rostlin a mikroorganismů 48

6 Limity: situaci zhoršuje snižování plochy lesů / pralesů / a na ostatních plochách intensivní zemědělství, produkující N 2 O / ekvivalent na CO 2 80,2 / a CH 4 / ekvivalent 6,3 / - zemědělství EU vytváří 110 mil. t ekv. CO 2 ročně Umělá biologická likvidace - foto-bioreaktory, kde vodní řasy spotřebovávají CO 2 a vytvářejí tekutý olejový produkt / biodiesel / Roswel, New Mexico 3 roky provoz nádrže 1000 m 2, spotřebuje 20 t CO 2 za rok, účinnost 90 %, produkce 6 m 3 biodiesel za rok, z toho vlastní spotřeba energie odpovídá cca 10 % Limity: investiční náklady - otázka aplikace v chladnějších pásmech s menším slunečním svitem 6 - Vodíková technologie Použití vodíku jako paliva snad v budoucnu vyřeší hlavní ekologické problémy silniční dopravy a možná poslouží i některým průmyslovým a dalším oborům. Limity: Zvládnutí a masový rozvoj již dnes známých technologií k výrobě H 2 bez emisí skleníkových plynů a škodlivin - zelený vodík. Literatura : Akyarli Adnan : Alternative Technique for CO 2 Control, předn Baeyens Jan : Carbon Sequestration, předn Hanehara Shunsuke : Trends of Blended Cement, World Cement 10-11/ 2005 Hardner Joachim : Entwicklung der Klinkerersatzstoffe..., ZKG 2 / 2006 Kretzschmar Hans-Jürgen : CO 2 Untergrundspeicherung..., ZKG 6/2006 Wolter Albrecht : Spezifische CO 2 Emission..., ZKG 1 /