Autor. Sonia Jarema-Suchorowska Barbara Kuczak ENERGOPOMIAR Sp. z o.o. Zakład Ochrony Środowiska

Transkrypt

1 Właściwości popiołów z kotłów fluidalnych w energetyce w aspekcie warunków gospodarczego wykorzys Autor Sonia Jarema-Suchorowska Barbara Kuczak ENERGOPOMIAR Sp. z o.o. Zakład Ochrony Środowiska Spalanie paliw w kotłach fluidalnych przebiega w zawieszonej w strumieniu powietrza pseudopłynnej warstwie cząstek stałych będących w ruchu turbulentnym. W trakcie spalania do złoża niepalnych cząstek żużla, piasku, innych minerałów dostarcza się ziarna paliwa, które mieszają się z powietrzem. Dzięki doskonałemu kontaktowi z powietrzem możliwe jest wykorzystanie paliw o niskiej wartości opałowej (powyżej 4000 kj/kg) i wysokim zapopieleniu (poniżej 60%). Konstrukcja kotłów pozwala na utrzymywanie niskiej temperatury spalania w granicach st. C, co wpływa na ograniczenie emisji tlenków azotu oraz utleniania się cząstek sodu i wanadu. Wprowadzony do złoża dodatek sorbentu, w postaci odpowiednio zmielonego kamienia wapiennego, dolomitu lub wapna, wiąże związki siarki. Niska temperatura spalania wpływa na stabilność wiązania gipsu, który odprowadzany jest z popiołem lotnym do urządzeń odpylających lub pozostaje w popiele dennym. Skuteczność odsiarczania spalin przy stosunku molowym Ca/S równym 1,5 wynosi około 80%, a przy Ca/S 2,5 nawet 97%. Emisja tlenków azotu zmniejsza się o % w porównaniu do spalania w paleniskach konwencjonalnych. Stałymi produktami spalania paliw w kotłach fluidalnych jest popiół lotny, wychwytywany w urządzeniach odpylających i popiół denny, odprowadzany ze złoża. Inne warunki spalania oraz dodatek sorbentu wpływają na odmienny charakter produktów spalania fluidalnego, w porównaniu do odpadów z palenisk konwencjonalnych. W skład produktów spalania fluidalnego wchodzą: niepalne minerały pozostałe po spaleniu węgla, produkty odsiarczania spalin bezwodny siarczan wapniowy, wolny tlenek wapnia, nadmiar sorbentu, niespalony węgiel w postaci koksiku, substancje mineralne, stanowiące domieszkę sorbentu. Własności ubocznych produktów spalania zależą od jakości paliw, warunków spalania (rozwiązań kotła), rodzaju, własności i ilości dodanego sorbentu, krotności cyrkulacji popiołu oraz sposobu odprowadzenia popiołów. Wdrażanie kotłów fluidalnych w energetyce Jeszcze w latach siedemdziesiątych rozpoczęły się w Polsce badania procesu fluidalnego spalania paliw. Prawdopodobnie pierwszy w kraju kocioł fluidalny został zaprojektowany i 1 / 7

2 wykonany przez ENERGOMONTAŻ Przemysłu Węglowego w Ciepłowni Kopalni Węgla Kamiennego w Siemianowicach Śl. Prawie równolegle w latach Instytut Energetyki prowadził badania procesu spalania paliw w kotle fluidalnym o mocy 0,3 MW. Poza próbami spalania niskich gatunków węgli prowadzone były badania sorbentów, wiązanie siarki, a we współpracy z Przedsiębiorstwem Zagospodarowania Odpadów Elektrownianych w Katowicach (później Zakładem Technologii Zagospodarowania Odpadów Elektrownianych Energopomiaru) możliwości gospodarczego wykorzystania stałych produktów spalania z paleniska fluidalnego. W latach dziewięćdziesiątych w KWK Dębieńsko Leszczyny został wybudowany i uruchomiony przez Fabrykę Kotłów RAFAKO SA doświadczalny kocioł fluidalny AKF o mocy 5MW. Pierwsze duże kotły fluidalne w energetyce zawodowej zostały uruchomione w latach w Elektrociepłowni Żerań (2 kotły OFz 450 t/h). Wkrótce uruchomiono dalsze jednostki: w 1997 r w Elektrociepłowni Bielsko Biała (kocioł OFz 230 t/h), w 1998 r. w Zakładach Farmaceutycznych POLPHARMA (2 kotły OFz 75 t/h), w 1998 do 2004 r. w Elektrowni Turów (3 kotły CFB 657 t/h i 3 kotły CFB 702 t/h), w 1999 i 2002 r. w Elektrociepłowni Chorzów ELCHO (2 kotly CFB 420 t/h), w 2000 r. w Elektrociepłowni Katowice (kocioł CFB 480 t/h) i w Elektrociepłowni Tychy (kocioł CYMIC 135 t/h), w 2001 i 2003 r. w Elektrowni Siersza (2 kotły OFz 425 t/h), w 2003 r. w Mondi Packaging Paper w Świeciu(kocioł CFB 234 t/h). W kilku elektrociepłowniach dokonano konwersji kotłów pyłowych na kotły fluidalne opalane biomasą (EC Łódź, EC Białystok). W Elektrowni Ostrołęka pracuje kocioł fluidalny opalany biomasą korą z pobliskich Zakładów Papierniczych. Najnowszym, jednocześnie największym jest kocioł fluidalny o wydajności 1300 t/h uruchomiony w maju 2009 r. w PKE SA Elektrownia Łagisza. Właściwości popiołów z pierwszych kotłów fluidalnych Właściwości popiołów lotnych i dennych ze spalania węgla kamiennego i brunatnego w doświadczalnym kotle fluidalnym przy KWK Dębieńsko zestawiono w tabeli 1. Popioły te wyróżniały się wysokimi stratami prażenia wynikającymi głównie z nadmiaru węglanu wapnia, co było efektem braku możliwości wielokrotnej cyrkulacji popiołu i pełnego wykorzystania sorbentu. Bardzo zbliżone właściwości wykazywały popioły z pierwszych uruchamianych kotłów fluidalnych w energetyce. Skład chemiczny popiołów z tych kotłów, badanych w Energopomiarze w latach dziewięćdziesiątych, przedstawiono w tabeli 2. Badania wymywalności popiołów wykazały ich wysoką rozpuszczalność, sięgającą do około 5 %, wysoką zawartość siarczanów, wodorotlenków i chlorków, na poziomie kilku tysięcy mg/dm3, alkaliczny odczyn ph na poziomie 12 13, obecność siarczynów i siarczków w stężeniach od kilku do kilkudziesięciu mg/dm3 oraz niską zawartość pierwiastków śladowych. Promieniotwórczość naturalna popiołów była na nieco niższym poziomie niż popiołów z kotłów pyłowych. 2 / 7

3 Właściwości obecnie występujących popiołów z kotłów fluidalnych Podstawowym czynnikiem mającym wpływ na właściwości popiołów jest jakość paliw. Od kilku lat energetyka ma obowiązek produkcji energii ze źródeł odnawialnych, a ilość tej energii jest z roku na rok coraz wyższa. W związku z tym z węglem kamiennym i brunatnym współspala się różne rodzaje biomasy rolnej i leśnej, paliw odpadowych. Wpółspalane z węglem paliwa to między innymi muły kopalniane, mączka mięsno-kostna, biomasa leśna, łuski słonecznika, wytłoki rzepakowe, słoma, rośliny uprawiane jako biomasa, pelety, odpady z produkcji celulozy, produkcji rolnej i wiele innych. Zawartość części mineralnych w tych paliwach bywa znacznie zróżnicowana, wahająca się od ułamków procenta do kilkudziesięciu procent. Jakość popiołów z kotłów energetycznych jest zatem zmodyfikowana zawartością większej lub mniejszej ilości popiołu z paliwa dodatkowego. Proces współspalania jest szczególnie łatwo realizować w kotłach fluidalnych, zatem popioły z kotłów fluidalnych mogą być istotnie zmienione. Wyniki badań składów chemicznych popiołów lotnych i dennych z kotłów fluidalnych w ostatnich latach świadczą o dużym zróżnicowaniu zawartości minimalnej i maksymalnej podstawowych składników (tabela 3, rys. 1), a przy tym o dużym podobieństwie zawartości składników w dłuższym okresie czasu dla poszczególnych obiektów (rys. 2). Podstawowymi składnikami popiołów lotnych i dennych z kotłów fluidalnych są glinokrzemiany, w dużych ilościach występują związki wapnia i siarki oraz wolne CaO, w tym szczególnie w popiele dennym. Popioły badane w ostatnich latach charakteryzują się niewielkimi stratami prażenia, spowodowanymi głównie obecnością niespalonego węgla. Składniki podstawowe w badanych odpadach występują w stężeniach zbliżonych do litosfery skał magmowych zasadowych, jedynie związki wapnia i siarki występują w ilościach większych. Zawartość pierwiastków śladowych w poszczególnych popiołach jest niska i mieści się w zakresie wartości charakterystycznych dla popiołów z węgli. Popioły z kotłów fluidalnych spełniają standardy jakości dla gleby i ziemi grupy C dla terenów przemysłowych, użytków kopalnych, terenów komunikacyjnych, na głębokości od 0 2 m oraz na głębokości 2 15 m (wodoprzepuszczalność do 1x10-7 m/s). Podstawową frakcją ziarnową popiołów lotnych jest frakcja pyłowo-iłowa (od mniej niż 2 mikrometry do 50 mikrometrów), a popiołów dennych frakcja piaskowa (od 50 mikrometrów do 2 mm). Popioły lotne cechują się niską gęstością nasypową, a popioły denne wysoką. Także gęstość właściwą należy uznać za stosunkowo wysoką. Popioły lotne i denne w zakresie promieniotwórczości naturalnej spełniają wymagania określone dla surowców i materiałów budowlanych przeznaczonych na pobyt stały ludzi i zwierząt a także dla budownictwa inżynieryjnego naziemnego i podziemnego na terenach zabudowanych i poza nimi oraz dla technologii górniczych. Badania wymywalności popiołów z kotłów fluidalnych pokazują ich rozpuszczalność na poziomie kilku procent (1,5-4%), przy czym składniki rozpuszczone to głównie siarczany wapnia, a w mniejszych ilościach węglany, chlorki i wodorotlenki wapnia, sodu, potasu i magnezu. Wyciągi wodne cechują się odczynem alkalicznym na poziomie 11,5-12,5. Zawartość chlorków z reguły nie przekracza 200 mg/dm 3. Pierwiastki śladowe w wyciągach wodnych z popiołów są zawarte w minimalnych ilościach, wielokrotnie niższych od wartości 3 / 7

4 dopuszczalnych dla oczyszczonych ścieków przemysłowych wprowadzanych do wód i do ziemi. Wyjątek stanowi bor, zawarty w nieco większych ilościach, czasem przekraczających wartości dopuszczalne dla ścieków. Jest to cecha charakterystyczna wszystkich popiołów z węgli, a najwyższe dopuszczalne wartości boru w ściekach oczyszczonych z instalacji oczyszczania spalin metodą mokrą wapienną oraz ścieków z mokrych technologii odprowadzania odpadów paleniskowych w elektrowniach są ustalane indywidualnie przez organy właściwe do wydawania pozwoleń. Cechy wyróżniające produkty spalania w kotłach fluidalnych od popiołów i żużli z palenisk tradycyjnych, to: - podwyższona zawartość związków wapnia, oznaczonych jako CaO, wynosząca dla popiołów ze spalania węgla kamiennego od ok. 5 do ponad 32 procent CaO, w tym wolny tlenek wapnia stanowi od zera do kilkunastu procent masy, - podwyższona ilość związków siarki w postaci siarczanów, stanowiących od ok. 3 do ponad 21 procent masy składu, czasami w postaci niewielkiej ilości siarczynów, - odpowiednio niższa zawartość pozostałych składników charakterystycznych dla składu chemicznego popiołów i żużli ze spalania węgli, - niższe stężenie pierwiastków naturalnie promieniotwórczych, - odmienna budowa krystalograficzna brak spieków i faz szklistych, - niższa gęstość nasypowa i rozbudowana powierzchnia właściwa popiołu lotnego, - wysoka wodożądność, związana z nieregularnym kształtem ziarn i wysoką porowatością. Zgodnie z ustawą o odpadach z dnia 27 kwietnia 2001 r. i Rozporządzeniem Ministra Środowiska z dnia 27 września 2001 r. w sprawie klasyfikacji odpadów, produkty spalania fluidalnego zostały zakwalifikowane do: - grupy 10 Odpady z procesów termicznych, - podgrupy Odpady z elektrowni i innych zakładów energetycznego spalania paliw (z wyłączeniem grupy 19), - rodzaju Mieszaniny popiołów lotnych i odpadów stałych z wapniowych metod odsiarczania gazów odlotowych (metody suche i półsuche odsiarczania spalin oraz spalanie w złożu fluidalnym) popiół lotny, dla niektórych obiektów również popiół denny, - rodzaju Piaski ze złóż fluidalnych (z wyłączeniem ) popiół denny dla niektórych obiektów. - Nie należą one do odpadów niebezpiecznych, stanowiących szczególne zagrożenie dla środowiska oraz dla zdrowia i życia ludzi. Wykorzystanie popiołów z kotłów fluidalnych 4 / 7

5 W kraju pracują obecnie 22 kotły fluidalne, opalane węglem kamiennym, węglem brunatnym oraz innymi paliwami, w tym biomasą. Ich wydajność pary waha się od 40 do 1300 t/h. Ilość produktów spalania fluidalnego, wytworzonych w roku 2000 wyniosła około 1,5 mln ton. W związku z brakiem dostępu do szczegółowych danych o ilościach wytwarzanych popiołów z kotłów fluidalnych obliczono ją szacunkowo. W obliczeniach przyjęto prawdopodobne scenariusze obciążeń kotłów, przy średniej zawartości popiołu w węglu i średnich parametrach odsiarczania. Obliczona ilość wyniosła 1520 tys. ton popiołu lotnego i 360 tys. ton popiołu dennego i obejmuje nowy kocioł fluidalny uruchomiony w PKE SA Elektrownia Łagisza. Proces modernizacji przemysłu energetycznego w związku z planowanym zakończeniem eksploatacji wielu kotłów może wpłynąć na wzrost ilości popiołów i żużli z kotłów fluidalnych, jednak jest mało prawdopodobne, aby spełniły się plany perspektywiczne opracowane w końcu lat dziewięćdziesiątych, kiedy to szacowano, że w roku 2020 uchwycenie tych popiołów wyniesie 4,3 mln ton. Wiele wykonanych w Energopomiarze badań popiołów z kotłów fluidalnych potwierdza, że skutecznymi metodami ich przetwarzania na materiały przydatne do różnych zastosowań są tec hnologie: suspensji, stabilizacji, granulacji. Suspensje to zawiesiny popiołów w cieczy, przy wysokiej koncentracji fazy stałej (p:w jak 3:1 do 1:1), cechujące się własnościami reologicznymi, pozwalającymi na ich transport hydrauliczny, a po docelowym zdeponowaniu zestalające się z wydzieleniem niewielkiej ilości cieczy nadmiarowej. Po zestaleniu suspensje uzyskują wysoką wytrzymałość na ściskanie, niską wodoprzepuszczalność i odporność na rozmakanie, co pozwala na ich wykorzystanie jako materiału izolacyjnego, konstrukcyjnego lub wypełniającego. Podobne cechy charakterystyczne wysoką wytrzymałość na ściskanie, niską wodoprzepuszczalność, odporność na rozmakanie, odporność na erozję wietrzną wykazują stabilizaty popioły zagęszczane przy wilgotności optymalnej. Mogą one być stosowane jako materiały konstrukcyjno-izolacyjne do robót ziemnych. Granulację odpadów prowadzi się w celu: nadania materiałom drobnoziarnistym form kawałkowych, o określonej wytrzymałości mechanicznej, modyfikacji składu chemicznego, ograniczenia wymywalności i pylenia. Proces prowadzi się w granulatorach talerzowych lub bębnowych, a efektem finalnym może być kruszywo budowlane lub drogowe, materiał podsadzkowy, materiał do ulepszania gleb itp. Duże zróżnicowanie właściwości popiołów z kotłów fluidalnych, indywidualnych praktycznie dla każdego obiektu energetycznego, wskazuje na konieczność odrębnego podejścia do technologii przetwarzania i potrzeby optymalizacji stosowanych rozwiązań. W kraju popioły z kotłów fluidalnych stosuje się między innymi: - w technologiach górniczych, - w robotach ziemnych do wypełniania terenów niekorzystnie przekształconych, - jako dodatek do cementu (popiół denny), - jako dodatek w produkcji wyrobów ceramicznych, - do gaszenia pożarów, - w produkcji spoiw drogowych, - w produkcji spoiw budowlanych. 5 / 7

6 W innych krajach, w tym USA, Niemczech, Francji, produkty spalania fluidalnego są wykorzystywane jako: dodatek w produkcji cementu, jako spoiwo do wyrobów betonowych, dodatek do betonów konstrukcyjnych, elementów budowlanych płyt chodnikowych, krawężników, do produkcji kruszyw dla budownictwa naziemnego i budowli ziemnych, jako dodatek przy utwardzaniu podłoża, do wyrobu cegieł, do produkcji tworzyw sztucznych, w rolnictwie do odkwaszania gleb (sadów, pastwisk), jako środek spulchniający gleby, do ulepszania utwardzania grząskich nawierzchni, do rekultywacji obszarów górniczych, do rekultywacji terenów, z jednoczesnym ich odkwaszaniem, jako materiał międzywarstwowy zestalający się z wodą na składowiskach odpadów komunalnych (dzienna pokrywa), jako podsadzka płynna samozestalająca się, o kontrolowanej niskiej wytrzymałości jako wykładzina rowów, podłoże dróg, do wypełniania kesonów, palowania, wypełniania pustych przestrzeni, do stabilizacji odpadów ciekłych i ich pasteryzacji (dzięki reakcji wolnego CaO), w postaci granulowanej do wykorzystania w rolnictwie i rekultywacji ziem. Podsumowanie Właściwości popiołów z kotłów fluidalnych wytwarzanych w pierwszym okresie wdrażania techniki spalania fluidalnego w energetyce różnią się od popiołów obecnie wychwytywanych. Poza stałymi cechami wyróżniającymi popioły z kotłów fluidalnych od popiołów konwencjonalnych, takimi jak podwyższona zawartość związków siarki i wapnia, odmienna budowa krystalograficzna brak spieków i faz szklistych, niższa gęstość nasypowa i rozbudowana powierzchnia właściwa popiołu lotnego, wysoka wodożądność, związana z nieregularnym kształtem ziarn i wysoką porowatością, popioły z lat dziewięćdziesiątych cechowały się wysoką zawartością nieprzereagowanego sorbentu w postaci węglanu, znaczną ilością niespalonego węgla. Wyniki badań z ostatnich lat dowodzą, że cechy te częściowo zanikły. Stopień wykorzystania sorbetu znacznie się podwyższył, zawartość produktów odsiarczania, szczególnie w popiołach dennych, jest znacznie wyższa, natomiast zawartość niespalonego węgla jest na takim samym poziomie jak w kotłach konwencjonalnych. Ponadto praktycznie dla każdego obiektu energetycznego właściwości popiołów są odmienne, indywidualne, lecz stabilne w czasie. Jest to wynikiem współspalania w paliwem podstawowym węglem szeregu innych paliw, takich jak muły kopalniane, mączka mięsno-kostna, różnego rodzaju biomasa. Stabilność właściwości popiołów w poszczególnych elektrowniach /elektrociepłowniach pozwala na opracowanie indywidualnych optymalnych i najbardziej korzystnych dla danego obiektu metod ich wykorzystywania. Literatura [1] EMITOR: Emisja zanieczyszczeń środowiska w elektrowniach i elektrociepłowniach 6 / 7

7 zawodowych, CIE Warszawa 2007, także analogiczne dane z lat [2] Hycnar J.: Paleniska fluidalne przykładem racjonalnego rozwiązywania problemów odpadów. Polityka Energetyczna. Tom 9. Zeszyt specjalny 2006, PL ISSN [3] Hycnar J.: Czynniki wpływające na właściwości fizykochemiczne i użytkowe stałych produktów spalania paliw w paleniskach fluidalnych. Wydawnictwo Górnicze, Katowice [4] Wyniki prac realizowanych w Energopomiarze. Energetyka nr 1/2010 Biuletyn Naukowo Techniczny Energopomiaru nr 1 (235) 800x600 Normal 0 21 false false false PL X-NONE X-NONE MicrosoftInternetExplorer4 mm 7 / 7