تولید الکتریسیته از زغال‌سنگ در نیروگاههای سیکل ترکیبی

با روند روزافزون صنعتی شدن اکثر کشورهای در حال توسعه و افزایش جمعیت در جهان، نیاز به انواع مختلف انرژی مخصوصاً انرژی الکتریکی روز به روز در حال افزایش است. با وجود پیشرفت فناوری‌های نوین که استفاده از انرژی‌های نو و انرژی‌های تجدید‌پذیر را مقدور می سازند، هنوز سوخت‌های فسیلی جزء منابع انرژی هستند که بیشترین نیاز صنعت را فراهم می سازند.
با توجه به تجدید‌ناپذیر بودن این منابع و ارزش بالای صنعتی این مواد به عنوان ماده اولیه، استفاده بهینه و افزایش راندمان مصرف این مواد هم‌اکنون سرلوحه کار بسیاری از مراکز تحقیقاتی و پژوهشی جهان است.

با روند روزافزون صنعتی شدن اکثر کشورهای در حال توسعه و افزایش جمعیت در جهان، نیاز به انواع مختلف انرژی مخصوصاً انرژی الکتریکی روز به روز در حال افزایش است. با وجود پیشرفت فناوری‌های نوین که استفاده از انرژی‌های نو و انرژی‌های تجدید‌پذیر را مقدور می سازند، هنوز سوخت‌های فسیلی جزء منابع انرژی هستند که بیشترین نیاز صنعت را فراهم می سازند.
با توجه به تجدید‌ناپذیر بودن این منابع و ارزش بالای صنعتی این مواد به عنوان ماده اولیه، استفاده بهینه و افزایش راندمان مصرف این مواد هم‌اکنون سرلوحه کار بسیاری از مراکز تحقیقاتی و پژوهشی جهان است.
زغال‌سنگ از جمله منابع انرژی است که از دیرباز مورد استفاده بشر بوده است و با توجه به اثرات سوء زیست‌محیطی ناشی از فرآیند احتراق زغال‌سنگ، کوشش‌های فراوانی به منظور ابداع روش‌ها و فن‌آوری‌های نوین درجهت کنترل و کاهش آلودگی حاصل از این فرآیند و افزایش راندمان آن صورت گرفته است. این تلاشها با نوسانات قیمت سایر انواع سوخت‌های فسیلی و تصویب قوانین سختگیرانه زیست‌محیطی در سالهای اخیر از روند رو به رشدی برخوردار بوده است. غنی بودن کشور ما ایران از منابع نفت و گاز سبب شده است که صنعت‌برق از ابتدای تاسیس به دلیل سهولت دسترسی و هزینه پایین، بیشتر از منابع نفت و گاز جهت تولید الکتریسیته استفاده کرده و از منابعی نظیر زغال‌سنگ کمتر استفاده می‌شود. روند رو به رشد صنایع پتروشیمی در جهان و قابلیت تبدیل فرآورده‌های نفتی به مواد با ارزش افزوده بالاتر باعث شده است که در کشورهای پیشرفته جهان استفاده از این مواد به عنوان سوخت به تدریج تقلیل یابد به طوری که د رحال حاضر ایالات متحده که بر حسب آمار جزء ده کشور غنی از منابع نفت و گاز است قسمت عمده الکتریسیته تولیدی (56 درصد) از زغال سنگ ایجاد کند.

با توجه به اطلاعات اخذ شده از وزارت صنایع و معادن، ایران دارای معادن عظیم زغال‌سنگ است به طوری که تنها در منطقه طبس در استان یزد معادنی با ذخیره بیش از یک میلیارد تن برآورد شده است وجود منابع عظیم زغال سنگ درکشور و خصوصاً در منطقه طبس ضرورت استفاده بهینه و بهره‌برداری از این موهبت الهی را ایجاب می‌کند. میزان ذخایر زغال‌سنگ این معادن بسیار بالاتر از مقدار مورد نیاز صنایع فولاد است استفاده از انرژی حرارتی این مواد و تولید الکتریسیته به عنوان یک آلترناتیو مهم در برنامه‌های دولت مطرح است. با توجه به اینکه ایران دارای ذخایر عظیم گاز نیز است استفاده از زغال‌سنگ به عنوان سوخت ممکن است در نظر اول از لحاظ اقتصادی توجیه‌پذیر نباشد. با اینحال 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 بهره‌برداری از این منابع، بررسی راهکارهای موجود در جهت استفاده بهینه و ایمن از منابع زغال‌سنگ ضروری است. در این مقاله یک روش مناسب که اخیراً در کشورهای اروپایی و آمریکا برای استفاده از انرژی حرارتی زغال مطرح است معرفی شده است.

فن‌آوری مصرف زغال‌سنگ به عنوان سوخت در نیروگاهها
در حال حاضر بیش از 90 درصد نیروگاههایی که در سطح دنیا از طریق مصرف زغال سنگ فعال هستند از تکنولوژی پودر کردن زغال (PC) استفاده می‌کنند. ایالات متحده و چین جزء مهمترین کشورهایی هستند که قسمت اعظم الکتریسیته خود را از این طریق تامین می‌کنند. هزینه تاسیس، قابلیت واحد و کارایی این نوع سیستم‌ها با درجه اطمینان بالایی قابل پیش‌بینی است. فواید اقتصادی این نوع سوخت نسبت به سایر سوخت‌ها بستگی به هزینه تامین زغال و دسترسی به سایر منابع سوختی دارد در صورت وجود گاز طبیعی استفاده از سوخت زغال بصورت معمولی قابل رقابت با نیروگاههای حرارتی با سوخت‌های مایع و گاز طبیعی نیست. در غیاب مقادیر کافی گاز طبیعی تکنولوژی PC یک راه‌حل اقتصادی برای تامین انرژی بویژه در کشورهایی که دارای منابع عظیم زغال‌ هستند، است.
با اینحال تکنولوژی PC دارای نقاط ضعفی نیز هست. نخست آنکه تولید الکتریسیته بر اساس تکنولوژی PC 
موجب انتشار وحشتناک موادی نظیر
CO, CO2, NOX, SO2، ذرات معلق و فلزات سنگین می‌شود که باعث آلودگی محیط‌زیست می‌شوند. دومین نقطه ضعف تکنولوژی PC پایین بودن راندمان این تکنولوژی در مقایسه با سایر تکنولوژی‌های موجود است. به عنوان مثال با وجود اینکه راندمان حرارتی نیروگاههای سیکل ترکیبی که از گاز طبیعی به عنوان سوخت استفاده می‌کنند طی ده سال گذشته از 45 درصد تا حدود 60 درصد افزایش یافته است راندمان حرارتی واحدهای با تکنولوژی PC در بهترین حالت تنها از 30 درصد افزایش یافته است.
تلاشهای انجام گرفته در جهت کنترل آلودگی و افزایش راندمان در نیروگاههای زغالی که بصورت عمومی تحت عنوان Clean Coal Initiatives شناخته می‌شود شامل تنوعی از فرآیندها، تجهیزات و تکنولوژی‌ها است. برخی از این تکنولوژی‌ها از قبیل شست‌وشوی زغال شامل فرآیند پیجیده‌ای نیست، در حالیکه اصلاح راندمان و میزان آلودگی انتشار یافته نیاز به تغییر در تکنولوژی تولید نیرو دارد.
در طول ده سال گذشته برنامه‌های بیشماری در جهت توسعه و اقتصادی کردن روشهای استفاده از زغال بدون آلودگی انجام گرفته است. این برنامه‌ها در دهه 1980 میلادی به جهت بحران نفت در دهه 1970 و به دنبال کاهش اعتماد جهانی نسبت به منابع نفتی وخطرات تولید برق در نیروگاههای اتمی بصورت جدی مورد توجه قرار گرفت و در این راستا تلاشهایی در جهت کنترل آلودگی‌های منتشر شده از واحد‌های زغال‌سوز وبالا بردن راندمان این واحدها در مراکز تحقیقاتی کشورهای پیشرفته نظیر آمریکا، اروپا و ژاپن از مدتها قبل آغاز و به پیشرفت‌های شایانی در این زمینه منجر شده است. اگر چه کاهش قیمت نفت در سال 1986 و پیدایش ذخایر عظیم گاز باعث از بین رفتن ذهنیت کمبود منابع نفتی شد و مساله جایگزینی فرآورده‌های نفتی با زغال تا اندازه‌ای جذابیت خود را از دست داد با اینحال در سال 1990 علاقمندی جدیدی به توسعه روشهای استفاده از زغال بدون آلودگی مورد توجه قرار گرفت این علاقمندی‌ها در راستای شرایط زیر بود:
- افزایش آگاهیهای عمومی در مورد مشکلات زیست‌محیطی منطقه‌ای، بومی و جهانی از قبیل آلودگیهای شهری بارانهای اسیدی و تغییر آب وهوا
- مشخص شدن سیمای آینده انرژی برای کشورهایی نظیر چین وهندوستان که دارای منابع عظیم زغال‌سنگ هستند و در آینده مصرف زغال سهم عمده‌ای در تامین انرژی این کشورها دارد 
- توسعه صنایع پتروشیمی وتبدیل فرآورده‌های نفتی به محصولات با ارزش
- توسعه سریع مصرف زغال به واسطه افزایش جمعیت و تقاضای انرژی در کشورهایی که دارای منابع عظیم زغال هستند
وجود موارد فوق سبب شد فن‌آوری‌های جدیدی به منظور مصرف زغال سنگ درجهت تولید الکتریسیته ابداع شود که از جمله این فن‌آوری‌ها می‌توان موارد زیر را که به مرحله تجارتی نیز رسیده‌اند 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)

معرفی فناوری تبدیل زغال‌سنگ به گاز سنتز
حدود نیم قرن است که فن‌آوری تولید گاز سنتزی از زغال‌سنگ در صنعت مورد بهره‌برداری قرار گرفته است ولی سابقه کاربرد این روش در نیروگاههای حرارتی به ده سال اخیر محدود است. با وجود تفاوتهای مشخصی که بین انواع سیستم‌های تولیدگاز سنتزی وجود دارد، اصول پایه و اولیه یکسانی بر تمام این روشها حاکم است.
بطور کلی در این سیستم‌ها سوخت‌های کربنی (گاز – مایع – جامد) در دمای بالا و تحت فشار طی یک فرآیند اکسیداسیون با اکسیژن و بخار آب وارد واکنش شده و تولید گاز سنتزی می‌کنند.
مکانیسم ساده این فرآیند به شرح زیر است:
گاز سنتزی حاوی 85 درصد H2, CO بوده و برحسب ترکیب درصد زغال‌سنگ مصرفی 15 درصد باقی‌مانده معمولا COS, H2S, N2, CO2, H2O است که در مرحله تصفیه گاز این ترکیبات از آن جدا می‌شوند.
در جدول 1 مشخصات کلی یک سیستم نمونه تولید گاز در نیروگاه الکتریکی آورده شده است.

معرفی تکنولوژی استفاده از گاز بدست آمده از زغال‌سنگ در یک نیروگاه سکیل ترکیبی (IGCC)
IGCC یک سیستمی مرکب از یک واحد تبدیل زغال‌ به گاز و یک سیکل ترکیبی تولید برق است. تبدیل زغال به گاز فرآیندی است که زغال جامد را به گاز قابل احتراق که تحت عنوان گاز سنتز معروف است و متشکل از منواکسید کربن و هیدروژن است تبدیل می‌کند. بعد از این مرحله گاز تولید شده در واحد گازسازی به منظور زدایش ترکیبات گوگردی و مواد معلق به یک واحد تصفیه گاز فرستاده می‌شود. در مرحله بعد گاز تصفیه شده در یک واحد توربین گازی سوخته شده و اولین منبع الکتریسیته راایجاد می‌کند. گازهای داغ خروجی از توربین گاز جهت تولید بخار و تولید الکتریسیته به وسیله توربین بخار به یک بویلر بازیاب حرارتی وارد می‌شود. در نتیجه تکنولوژی IGCC یک روش ترکیبی از واحد گازسازی به همراه یک مجموعه نیروگاه سیکل ترکیبی است. علاوه بر این به واسطه انجام چندین فرآیند حرارتی در این سیستم (گرمایش – سرمایش) می‌توان با بکارگیری یک طراحی مناسب سیستم مجتمعی از مبدل‌های حرارتی طراحی کرده و کارآیی سیستم را افزایش داد. در شکل 1 شمای ساده‌ای از سیستم IGCC نشان داده شده است.

راندمان و کارآیی نیروگاههای مجهز به فن‌آوری IGCC در قیاس با نیروگاههای رایج زغال‌سوز
بطور تقریبی یک نیروگاه با فن‌آوری Kg/KWh, IGCC46/0 زغال‌سنگ مصرف می‌کند این در حالی است که در نیروگاههای معمولی زغال‌سوز مقدار مصرف زغال Kg/KWh6/0 است. دلیل عمده کاهش مصرف زغال در این نیروگاهها بهره‌گیری از سیستم سیکل ترکیبی است.
در شکل 2 راندمان تکنولوژی IGCC با راندمان سایر تکنولوژی‌های مورد استفاده در نیروگاههای زغال‌سوز مقایسه شده است در این مقایسه کارآیی بر اساس بیشترین ارزش حرارتی HHV ارایه شده است.
همانطور که در شکل 2 مشاهده شد کارآیی فن‌آوری IGCC درمقایسه با سایر روشها بالاتر بوده و تنها در صورت استفاده از زغال مرغوب (زغال سیاه) با روش PFBC تقریباً مشابه است هزینه سرمایه‌گذاری در ایجاد نیروگاههای الکتریکی مجهز به تکنولوژی یکی از پارامترهایی است که تا اندازه‌ای باعث محدودیت استفاده از این تکنولوژی می‌شود. درجدول 2 هزینه ساخت نیروگاه مجهز به فن‌آوری IGCC و راندمان این سیستم‌ها با دیگر نیروگاههای زغال‌سوز مقایسه شده است.
همانطور که مشاهده می شود هزینه احداث نیروگاههای مجهز به سیستم IGCC از سایر نیروگاههای زغال سوز بالاتر است در عوض راندمان این نیروگاهها از سایر موارد مشابه بالاتر است. در شکل 3 الگویی از روند افزایش راندمان و کاهش هزینه‌های ساخت تکنولوژی IGCC نشان داده شده است. همانطور که از شکل 3 مشاهده می شود هزینه ساخت نیروگاههای زغال‌سوز با سیستم IGCC از $/KW3000 در دهه 1980 میلادی تا حدود $/KW1450 در سال 1997 کاهش یافته و انتظار می‌رود در طول سالهای قرن 21 این کاهش ادامه داشته و در عوض راندمان این نیروگاهها افزایش یابد.

بررسی اثرات زیست‌محیطی و استفاده از منابع اولیه نیروگاههای زغال سوز با تکنولوژی IGCC نسبت به سایر نیروگاههای زغال‌سوز
از اواخر قرن گذشته میلادی به دلیل مشکلات متعدد زیست‌محیطی ناشی از توسعه صنعتی کشورها، قوانین قاطعانه‌ای در مقابل ورود آلاینده‌ها به محیط‌زیست از طرف سازمانهای بین‌المللی تصویب شده و به مرحله اجرا درآمده است. اثر گازهای گلخانه‌ای،‌ کاهش لایه ازن و … منجر به تشدید مجازات‌های بین‌المللی وضع شده، بر علیه دولت‌ها و صنایعی که به هر شکلی استانداردهای محیط‌زیستی را رعایت نمی‌کنند شده است. بطوریکه در حال حاضر بسیاری از صنایع در اروپا و سایر نقاط جهان در شرف تعطیلی و یا با محدودیت‌هایی روبرو هستند. هم اکنون سرمایه‌گذاری بر روی صنایع بنیادی با حداقل اثرات سوء زیست‌محیطی در اولویت برنامه‌های توسعه‌ای کشورها قرار گرفته است.
در میان تکنولوژیهای مرسوم تولید الکتریسیته از زغال فن‌‌آوری IGCC در مقایسه با سایر فن‌آوریهای رقیب دارای محاسن محیط‌زیستی فراوانی است.
از مهمترین مزایای این روش می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- کاهش ذرات معلق و جامد حاصل از احتراق زغال‌سنگ 
- کاهش انتشار گازهای NOX و SOX
- کاهش نشر گازهای CO و CO2 بدلیل بهبود احتراق و افزایش راندمان فرآیند
در جدول 3 میزان آلاینده‌های تولیدشده درسه نیروگاه به ترتیب سیکل ترکیبی با سوخت گاز طبیعی، سیکل ترکیبی مجهز به تکنولوژی IGCC و نیروگاه زغال‌سوز معمولی با یکدیگر مقایسه شده است.
در جدول 4 میزان انتشار آلاینده‌ها و میزان مصرف آب در تکنولوژی‌های جدید استفاده از زغال‌سنگ با تکنولوژی PC مقایسه شده است. با توجه به اطلاعات جداول فوق ملاحظه می شود که میزان نشر آلاینده‌ها در فن‌آوری IGCC نسبت به سایر تکنولوژی‌ها کمتر بوده و میزان مصرف آب نیز در این فن‌‌آوری به مقدار قابل ملاحظه‌ای کمتر است.

بررسی مزایای فنی تکنولوژی IGCC نسبت به سایر تکنولوژی‌ها
در تکنولوژی IGCC، در طی فرآیند تولید گاز سنتزی از زغال‌سنگ تقریباً 100 درصد کربن موجود در زغال‌سنگ به گاز سنتز تبدیل می شود. در اینحال گوگرد موجود در زغال‌سنگ به صورت عنصری یا اسید سولفوریک از گاز سنتزی حذف می‌شود بطوری که در این فن‌آوری حدود 98 درصد گوگرد از جریان گاز حدف شده و ضایعات جامد حاصل از این مرحله به میزان 6/1 تا 9/1 مقدار ضایعات جامد حاصل از سیستم FGD2 که در نیروگاههای زغال سوز مرسوم برای کاهش نشر گوگرد بکار می‌رود، کاهش می‌یابد.
در فن‌آوری IGCC به دلیل دمای بالای راکتور (1400 درجه سانتی‌گراد) خاکستر و مواد معدنی موجود در زغال‌سنگ از قبیل آلومینیوم سیلیس، فلزات سنگین و … به مواد بی‌اثر به شکل گرانول تبدیل می‌شوند که گرانولهای حاصله کاملاً غیرسمی بوده و دارای PH خنثی هستند. علاوه بر این مواد حجم کمی اشغال کرده و در زیرسازی جاده‌ها و صنعت ساختمان کاربرد دارند.
در شکلهای 4 و 5 به ترتیب میزان حجم ضایعات تولیدی و هزینه دفع این ضایعات در فن‌آوری‌های مختلف مصرف زغال به عنوان سوخت در نیروگاهها با یکدیگر مقایسه شده است.
همانطور که در شکلهای فوق ملاحظه می‌شود میزان تولید ضایعات و هزینه دفع این ضایعات در تکنولوژی IGCC نسبت به سایر تکنولوژی‌‌های موجود بسیار کمتر است.
علاوه بر مزایای فوق این تکنولوژی مزایای منحصر به فرد دیگری را نیز دارا است که به طور خلاصه شامل موارد ذیل است:
- عاری‌سازی گاز حاصل از زغال از سولفور و سایر مواد آلاینده شامل ذرات معلق
- استفاده از گرمای باقی‌مانده در گازهای خروجی از واحد توربین گاز در یک بویلر بازیاب حرارتی و تولید الکتریسیته در یک توربین بخار که موجب افزایش راندمان سیستم می‌شود.
- امکان استفاده از گاز طبیعی به عنوان سوخت کمکی و تداوم تولید نیروگاه در مواردی که در سیستم تامین زغال سنگ و تولید گاز نیروگاه مشکلاتی به وجود آمده باشد.
- کاهش اندازه سیستم تصفیه گازهای ورودی به اتمسفر، در اثر تصفیه گاز خروجی از سیستم تولید گاز قبل از احتراق در توربین گاز و کاهش حجم آلاینده‌های تولید شده 
- حفاظت تجهیزات پایین دستی نظیر توربین گاز از مسائل جانبی نظیر خوردگی به واسطه زدایش ترکیبات خورنده نظیر ترکیبات گوگردی
- کاهش میزان آب مصرفی نسبت به برق تولید شده در مقایسه با سایر تکنولوژی‌های رقیب
- امکان بازیابی CO2 از جریان گاز سنتز وتزریق آن به معادن زغال سنگ جهت استخراج متان