V Konferencja OCHRONA ŚRODOWISKA W ENERGETYCE lutego Jaworzno

Transkrypt

1 V Konferencja OCHRONA ŚRODOWISKA W ENERGETYCE lutego Jaworzno KONFIGURACJA I PARAMETRY INSTALACJI ODSIARCZANIA SPALIN DLA BLOKU KLASY 900 MW Jerzy Mazurek RAFAKO S.A. 1

2 Wstęp Referat przedstawia uwagi i wybrane parametry instalacji odsiarczania spalin przewidywanej dla bloków klasy 900 MW przy uwzględnieniu różnic wynikających ze spalania w kotle węgla kamiennego lub brunatnego. Podstawowymi (i niezbędnymi) parametrami do projektowania instalacji odsiarczania spalin są: 1. Dokładny skład spalin obejmujący wszystkie składniki gazu: N 2, CO 2, O 2, SO 2, SO 3, HCl, HF, NO 2, NO, NH 3, popiół oraz H 2 O. 2. Strumień objętościowy względnie masowy spalin. 3. Temperatura i ciśnienie spalin na wlocie do IOS-u (przy uwzględnieniu systemów odzysku ciepła jeśli występują). 4. Parametry dostępnego sorbentu obejmujące przynajmniej: zawartość CaCO 3, MgO, MgCO 3, Al 2 O 3, Fe 2 O 3, SiO 2, zawartość wilgoci, zawartość innych związków stanowiących balast (tzw. inertów), uziarnienie, białość. 5. Parametry dostępnej wody procesowej przynajmniej takie jak: wartość ph, temperatura, stężenia jonów Cl -, Ca 2+, Mg 2+, Na +, SO 2-4, zawartość zawiesiny, wartości CHZT, BZT5, twardość. 6. Wymagania w zakresie stopnia usuwania limitowanych zanieczyszczeń gazowych (SO 2, SO 3, HCl, HF, popiół). 7. Wymagania w zakresie sposobu wyprowadzania ścieków z IOS-u i parametrów ścieków jeśli w ramach IOS-u ma być prowadzony proces ich podczyszczania. 8. Wymagania w zakresie jakości gipsu. 9. Określenie dostępnego obszaru zabudowy oraz sposobu odprowadzenia spalin do atmosfery. 2

3 Jakość sorbentu przyjętego do analizy PARAMETR JEDN. WARTOŚĆ ZAŁOŻENIOWA Typ - mączka kamienia wapiennego Granulacja: d 90 mikrometr < 80,0 CaCO 3 MgCO 3 % mas. 95,0 % mas. 3,0 SiO 2 + części nierozpuszczalne w HCl % mas. 2,0 Fe 2 O 3 Al 2 O 3 Na 2 O K 2 O % mas. 0,6 % mas. 0,2 % mas. 0,1 % mas. 0,1 Białość % 70,0 3

4 Jakość wody przyjętej do analizy PARAMETR JEDN. WARTOŚĆ ZAŁOŻENIOWA Odczyn ph - ok. 8 Temperatura o C ok. 20 Zawartość chlorków CHZT Cr Zawartość żelaza Zawartość siarczanów Zawartość krzemionki Zawartość substancji rozpuszczonych Zawartość zawiesiny ogólnej mg Cl - /dm mg O /dm mg Fe og./dm 3 0,5 mg SO 2-4 /dm mg SiO /dm mg/dm mg/dm

5 Wymagania w zakresie stężeń zanieczyszczeń gazowych na wylocie z IOS Składnik spalin Koncentracja dla zawartości 6%O 2 : [mg/m 3 u SO 2 *) 200 HCl **) 4 HF **) 2 sp. suchych] Popiół 10 Uwagi: *) Koncentracja na wylocie z instalacji jest określona dla SO 2, a nie jako SO x (tzn. nie jako suma SO 2 i SO 3 przeliczona na SO 2 ) ta uwaga jest istotna w kontekście małego stopnia usuwania w mokrym odsiarczaniu trójtlenku siarki. **) Podane wartości są propozycją RAFAKO S.A. wynikającą z dokładności typowych metod pomiaru stężeń stosowanych w czasie pomiarów gwarancyjnych. Dla absorberów z dużą gęstością zraszania można także przyjąć standardy emisyjne obowiązujące dla instalacji termicznego przekształcania odpadów : HCl 10 mg/m 3 u i HF 1 mg/m 3 u z tym, że są one określone dla 11%O 2 (Załącznik nr 5 do Rozporządzenia Ministra Środowiska z dnia 20 grudnia 2005 r. w sprawie standardów emisyjnych z instalacji: Dz.U ). 5

6 LP. WYSZCZEGÓLNIENIE Wymagania w zakresie ścieków z IOS JEDNOSTKA wartość 1 Temperatura C < 35 o C 2 ph - 6,5 9,0 3 Zawiesina 4 Chlorki 5 Siarczany 6 BZT5 mg/dm 3 < 35 mg/dm 3 < *) mg/dm 3 < *) mgo /dm3 2 < 25,0 **) 7 CHZT - Cr mgo /dm3 2 < 125,0 **) 8 Fe ogólne 9 Cd (średnia dobowa) 10 Hg (średnia dobowa) 11 Pb 12 Zn 13 Chrom ogólny mg/dm 3 < 10,0 mg/dm 3 < 0,40 mg/dm 3 < 0,06 mg/dm 3 < 0,50 mg/dm 3 < 2,0 mg/dm 3 < 0,5 14 Cr +6 mg/dm 3 < 0,10 15 Ni 16 Cu 17 As mg/dm 3 < 0,50 mg/dm 3 < 0,50 mg/dm 3 < 0,10 6

7 Wymagania w zakresie ścieków z IOS cd. Uwagi: *) Poziomy stężeń chlorków i siarczanów przekraczają wartości dopuszczone rozporządzeniem. Technologii usuwania tych zanieczyszczeń (instalacje wyparne, jonitowe itd.) nie stosuje się ze względu na wysoki koszt, duże zapotrzebowanie na energię, jak również z uwagi na powstający trudny do utylizacji odpad (mieszanina soli i wydzielonych osadów). W niektórych przypadkach występujące wartości przekraczają wyżej podane. **) Gwarancja na stężenia końcowe CHZT i BZT5 jest ograniczona. W typowej mechaniczno- chemicznej oczyszczalni ścieków z IOS osiąga się wyłącznie częściową redukcję tych parametrów. Dla zapewnienia większej redukcji instalacja oczyszczania ścieków musi zostać wyposażona w układ dodatkowych filtrów (żwirowych, piaskowych i/lub filtrów z węglem aktywnym). Udzielenie tej gwarancji jest zależne m. in. od parametrów wody procesowej przeznaczonej na potrzeby IOS. Inne ważne uwagi: 1. W typowej mechaniczno-chemicznej oczyszczalni ścieków z IOS nie gwarantuje się usuwania związków azotu (azotu amonowego, azotynowego, azotanowego) wprowadzonych z wodą procesową i częściowo wymytego z spalin. Usuwanie tych związków jest możliwe na drodze biologicznej, ale dobudowa węzła denitryfikacji jest problematyczna ze względu na następujące kwestie: konieczność zabudowy węzła dozowania pożywki (np. alkoholu), problemy z zapachem, negatywny wpływ wysokiego stężenia chlorków na utrzymanie złoża biologicznego. 2. W typowej mechaniczno-chemicznej oczyszczalni ścieków z IOS nie gwarantuje się usuwania boru. 7

8 PARAMETR Zawartość wolnej wilgoci CaSO 2H O 4 2 CaSO 3 1 / 2 H 2 O Wymagania w zakresie jakości gipsu JEDNOSTKA WARTOŚĆ % mas. 10,0 % mas. 92,5 % mas. 0,2 Białość % 50 Chlorki Fluorek rozpuszczalny Na 2 O całkowite MgO rozpuszczalny K 2 O całkowity % mas. 0,01 % mas. 0,01 % mas. 0,06 % mas. 0,1 % mas. 0,1 CaCO + MgCO 3 % 3 mas. 2 Rozmiar cząsteczek - 80 % 25 mikrometra Wartość ph - 6,5 8,0 8

9 Parametry projektowe spalin dla kotła opalanego węglem kamiennym Składnik spalin Udział objętościowy % obj. sp. wilg. mg/m 3 u Koncentracja dla zawartości 6% O 2 : sp. suchych N 2 74,3329 CO 2 13,6900 O 2 4,4600 SO 2 0, SO 3 0, HCl 0, HF 0, Popiół 0, Strumień spalin wilgotnych: m 3 H 2 O 7,4300 u/h. Podstawowe parametry węgla: wartość opałowa: kj/kg, zawartość siarki: 0,8 %. Temperatura spalin przed IOS: 120 o C bez odzysku ciepła, 70 o C z odzyskiem ciepła. 9

10 Parametry projektowe spalin dla kotła opalanego węglem brunatnym Składnik spalin Udział objętościowy Koncentracja dla zawartości 6% O 2 : N 2 60,3128 CO 2 12,1700 O 2 2,5000 % obj. sp. wilg. mg/m 3 u SO 2 0, SO 3 0, HCl 0, HF 0, sp. suchych Popiół 0, HStrumień spalin wilgotnych: m 3 2 O 24,7900 u/h. Podstawowe parametry węgla: wartość opałowa: kj/kg, zawartość siarki: 1,26 %. Temperatura spalin przed IOS: 170 o C bez odzysku ciepła, 120 o C z odzyskiem ciepła. 10

11 Parametr Parametry projektowe spalin - porównanie Węgiel kamienny % obj. mg/m 3 s.s. u Węgielbrunatny % obj. mg/m3 s.s. u N 2 74, ,3128 CO 2 13, ,1700 O 2 4,4600 2,5000 SO 2 0, , SO 3 0, , HCl 0, , HF 0, , Popiół 0, , H 2 O 7, ,7900 Strumień spalin: m 3 /h 3 u m3 /h u Wartość opałowa: kj/kg kj/kg Zawartość siarki: 0,8 % 1,26 % Temperatura spalin: 120 o C 70 o C 170 o C 120 o C 11

12 Mączka kamienia wapiennego Schemat poglądowy IOS 900MW - Węgiel kamienny SILOS SORBENTU 2 x Dozownik celkowy CHŁODNIA KOMINOWA Zbiornik awaryjnego zraszania spalin wody obiegowej zawiesiny sorbentu Zbiornik nr 1 zawiesiny sorbentu zawiesiny sorbentu Zbiornik nr 2 zawiesiny sorbentu 2 x pompy wody z chłodni kominowej Odzysk ciepła 1 x Zbiornik wody obiegowej Stacja hydrocyklonów gipsu Stacja hydrocyklonów ścieków wody do roztw. sorbentu 1 x Zbiornik wody do roztw. sorbentu 2 x pompy wody procesowej 1 x Zbiornik wody procesowej 1 x Chłodnica spalin surowych 2 x Dmuchawa powietrza natleniającego 5 x Mieszadła ABSORBER Absorber 4 x Pompa cyrkulacyjna upustowa zawiesiny gipsu 1 x Zbiornik zawiesiny gipsu ścieków surowych Ścieki do oczyszczaln i ścieków 1 x Zbiornik ścieków surowych 1 x Pompa próżniowa 1 lub 2 x wentylator Gips do magazynu 2 x Filtr taśmowy 1 x Zbiornik 1 x Pompa filtratu filtratu NOWY BLOK 900 MW + 1 x Zbiornik awaryjny + 3 x Studzienka ściekowa Spaliny surowe przed chłodnicą Spaliny surowe po chłodnicy Spaliny oczyszczone Gips Woda procesowa Ścieki surowe Zawiesina gipsu z absorbera Woda obiegowa Odpływ hydrocyklonów ścieków Zagęszczona zawiesina gipsu Zawiesina sorpcyjna Mączka kamienia wapiennego Filtrat Powietrze natleniające 12

13 Schemat poglądowy IOS 900MW - Węgiel brunatny Chłodnia kominowa 1 x Silos sorbentu wody obiegowej wody obiegowej 2 x Dozownik celkowy Stacja hydrocyklonów ścieków Stacja hydrocyklonów gipsu Zbiornik wody obiegowej Spaliny oczyszczone Spaliny oczyszczone Zbiornik wody obiegowej Stacja hydrocyklonów gipsu Stacja hydrocyklonów ścieków zawiesiny sorbentu zawiesiny sorbentu 1 x chodnica spalin 2 x pompy wody z chłodni kominowej 1 x chodnica spalin 1 x Zbiornik zawiesiny sorbentu nr 1 1 x Zbiornik zawiesiny sorbentu nr 2 Absorber Absorber 5 x Pompa cyrkulacyjna 5 x Pompa cyrkulacyjna filtratu upustowa 5 x Mieszadła Odzysk spalin Odzysk spalin 5 x Mieszadła upustowa 1 x Zbiornik filtratu Spaliny surowe Spaliny surowe 3 x Dmuchawa powietrza natleniającego próżniowa zawiesiny gipsu Zbiornik zawiesiny gipsu 1 x wentylator spalin surowych 1 x wentylator spalin surowych 1 x Zbiornik Ścieków surowych ścieków surowych Ścieki do oczyszczalni 2 x Filtr taśmowy Gips do magazynu 2 x Zbiornik filtratu Woda procesowa wody procesowej Woda procesowa Ścieki surowe Zawiesina gipsu z absorbera Spaliny surowe przed podgrzewaczem Spaliny surowe po podgrzewaczu Gips NOWY BLOK 900 MW 1 x Zbiornik Wody procesowej Woda obiegowa Odpływ hydrocyklonów ścieków Zagęszczona zawiesina gipsu Zawiesina sorpcyjna Mączka kamienia wapiennego Filtrat Powietrze natleniające + 1 x Zbiornik awaryjny + 4 x Studzienki ściekowe 13

14 Plan dyspozycyjny IOS 900MW - Węgiel kamienny 14

15 Plan dyspozycyjny IOS 900MW - Węgiel brunatny 15

16 Wybrane parametry pracy instalacji odsiarczania Parametr Jedn. Węgiel kamienny Węgiel brunatny Strumień spalin surowych m 3 /s 694 u 917 Strumień spalin oczyszczonych m 3 /s 714 u 975 Temperatura spalin oczyszczonych o C Zużycie sorbentu t/h 8,87 33,99 Zużycie wody m 3 /h 70,5 167,0 Produkcja gipsu (10% wilgoci) t/h 15,0 62,10 Magazyn sorbentu (zapas 14 dni) m Magazynu gipsu (retencja 7 dni) m

17 Ilość absorberów Wybrane parametry pracy instalacji odsiarczania cd. Parametr Jedn. Węgiel kamienny Węgiel brunatny szt. 1 2 Średnica strefy zraszania m Średnica zbiornika m Całkowita wysokość absorbera m Wysokość osi kanału wlotowego spalin m Ilość pomp cyrkulacyjnych (na absorber) szt. 4 5 Wydajność pompy cyrkulacyjnej m 3 /h Instalacja odsiarczania nie wyposażona w obejście a takie są wszystkie z odprowadzaniem spalin oczyszczonych do chłodni kominowej muszą być wyposażone w bezpieczne systemy chłodzenia awaryjnego. W przypadku wyłączenia pomp cyrkulacyjnych odstawienie kotła jest natychmiastowe, całkowite i bezwarunkowe. 17

18 Wzrost zużycia mocy na wale wentylatora (ów) po zabudowaniu chłodnicy na drodze spalin Parametr Jednostka Węgiel kamienny Węgiel brunatny Strumień spalin m 3 /s 694 u 917 Szacowana strata ciśnienia w chłodnicy Pa Temperatura spalin przed chłodnicą o C Temperatura spalin za chłodnicą o C Wzrost zużycia energii na wentylatorze Ciepło do odzyskania *) założono sprawność wentylatora 86% i silnika wentylatora 97%. kw kw Zawsze od chłodnicy elementy ciągu spalin muszą podlegać ciężkiej ochronie antykorozyjnej (bez chłodnicy ochrona taka zaczyna się dopiero od króćca absorbera) 18

19 Różnice w zużyciu wody w zależności o temperatury spalin na wlocie do instalacji odsiarczania Parametr Jednostka Węgiel kamienny Węgiel brunatny Bez odzysku Z odzyskiem ciepła ciepła Bez odzysku ciepła Z odzyskiem ciepła Strumień spalin m 3 /s 694 u 917 Temperatura spalin o C Zużycie wody w IOS Różnica w zużyciu wody m 3 /h 132,0 70,5 255,0 167,0 m 3 /h 61,5 88,0 19

20 Głęboka redukcja SO x pod kątem przewidywanego usuwania CO 2 Nazwa parametru Wymagana emisja końcowa SO 2 Ilość pomp cyrkulacyjnych Pobór mocy przez pompy absorbera (bez innych odbiorników IOS) Straty ciśnienia w IOS (bez systemu odzysku ciepła) Moc na wale wentylatora (-ów) (pobierana tylko na potrzeby IOS) Zużycie sorbentu (mączka z udziałem 95% CaCO 3 ) Jedn. Węgiel kamienny Węgielbrunatny mg/m 3 < u 200 < 20 < 200 < 20 szt lub 6 kw % wzrostu +121% +89% Pa % wzrostu +100% +80% kw % wzrostu % t/h 8,87 9,63 33,99 34,89 % wzrostu + 8,6% +2,6% Zużycie wody m 3 /h 70,50 71,90 167,00 168,60 (przy spalinach schłodzonych) % wzrostu + 2,0% + 1,0% 20

21 Parametry ścieków z instalacji odsiarczania Parametr Jednostka Węgiel kamienny Węgiel brunatny Strumień ścieków m 3 /h 15,6 2,8 Zawiesina w ściekach surowych (przed ich podczyszczeniem) Strumień osadu z oczyszczalni Ścieków Krotność zatężania wybranych substancji zawartych w wodzie procesowej g/dm kg/h Zastosowana typowa technologia nie pozwala usunąć wszystkich zanieczyszczeń i ścieki po oczyszczalni nie będą spełniać wszystkich wymagań określonych w rozporządzeniu w Rozporządzeniu Ministra Środowiska z dnia r., Dz.U wraz z późniejszymi zmianami wg Dz.U ). Problemy obejmują: siarczany, chlorki, bor, CHZT, BZT5, związki azotu. 21

22 Przygotowanie sorbentu Analiza zakłada wykorzystanie jako sorbentu gotowej mączki kamienia wapiennego. Sorbent taki jest dostępny w Polsce, przy czym rozpoczęcie eksploatacji wszystkich planowanych instalacji odsiarczania będzie wymagać uruchomienia nowych odkrywek tego surowca oraz może spowodować wzrost jego ceny. Alternatywnie, co jest atrakcyjne zwłaszcza dla dużych odbiorców można rozważać mielenie surowego kamienia dostarczanego w bryłach 0-30 mm na miejscu. Dostępne są różne technologie przy czym RAFAKO S.A. ma referencje w zakresie wykorzystania mielenia na mokro z klasyfikacją i cyrkulacją zawiesiny. Mielenie na mokro z klasyfikacją i zawracaniem frakcji nie spełniających wymagań daje w rezultacie sorbent o mniejszych ziarnach poprawiając tym samym skuteczność odsiarczania (osiąga się przemiał P80<25 mikrometrów). Oczywiście z jednej strony surowy kamień wapienny jest znacznie tańszym surowcem, ale z drugiej strony mielenie na miejscu wymaga poza zabudową odpowiedniej instalacji (koszty inwestycyjne) także wkładu energii elektrycznej w ilości 30 kwh/tonę mielonego surowca (dla kamienia o BWI=12 kwh/t). 22

23 Wpływ technologii redukcji tlenków azotu Technologia redukcji NO x za pomocą wtrysku NH 3 ma wpływ na system odsiarczania spalin. Wpływ ten obejmuje następujące aspekty: 1. W przypadku zastosowania metody katalitycznej (SCR) na katalizatorze następuje konwersja SO 2 do SO 3 co powoduje wzrost stężenia SO 3 w spalinach przed instalacją odsiarczania. W instalacjach mokrego odsiarczania redukcja SO 3 jest na poziomie 50%. Tak więc wzrost o mg/m u stężenia SO 3 na wlocie do IOS powoduje wzrost o 5 mg/m u stężenia SO 3 na wylocie z absorbera. Jeśli limitowany jest poziom SO x lub SO 3 to powoduje to wzrost wskaźnika L/G. Systemy odazotowania i odsiarczania powinny być projektowane wspólnie. 2. Resztkowy NH 3 obecny w spalinach przechodzi do cieczy absorpcyjnej i zwiększa stężenie związków azotu obecnych w ściekach oczyszczonych. Typowe technologie oczyszczania ścieków stosowane w IOS-ach nie redukują związków azotu. Opisane zjawisko intensyfikuje problem ze spełnieniem wymagań w zakresie czystości ścieków oczyszczonych w zakresie związków azotu. Z tego względu z punktu widzenia instalacji odsiarczania preferowane są te technologie odazotowania spalin, które powodują jak najmniejszy ulot NH 3 tzn. technologie katalityczne (SCR). 23

24 Przykład realizacji: IOS bl. 858 MW PGE El. Bełchatów Moc bloku: 858 MW el Strumień spalin: 2 x Nm 3 /h wilg. Max zawartość siarki w węglu: 1,85% Stężenie SO 2 w spalinach: mg/nm 3 such. Sprawność odsiarczania: >96,7% Zużycie sorbentu (CaCO 3 ): 58,1 t/h Zużycie wody procesowej: 384 m 3 /h Strumień gipsu: 106,3 t/h Strumień ścieków: 5,6 m 3 /h Zużycie energii elektrycznej: 13,84 MW Dyspozycyjność: >99% Cechy charakterystyczne: absorbery w budynku, odprowadzenie spalin do chłodni kominowej, chłodnica spalin z odzyskiem ciepła zabudowana przed każdym z absorberów 24

25 Przykład realizacji: IOS bl. 858 MW PGE El. Bełchatów Instalacje technologiczne w budynku absorberów 25

26 Przykład realizacji: IOS bl. 858 MW PGE El. Bełchatów Układ rozładunku i magazynowania mączki kamienia wapiennego 26

27 Przykład realizacji: IOS bl. 858 MW PGE El. Bełchatów Magazyn gipsu oraz stacja załadunku gipsu na samochody 27

28 Podsumowanie Przy opracowywaniu koncepcji nowych bloków warto analizować następujące aspekty: 1. Zastosowanie systemów odzysku ciepła. Systemy te stanowią istotny składnik kosztów inwestycyjnych, generują jednak istotne korzyści eksploatacyjne, przy czym poza uzyskaniem możliwej do wykorzystania energii cieplnej ograniczają także zużycie wody w instalacji odsiarczania spalin. 2. Budzącym wiele kontrowersji aspektem projektowania IOS-u jest oczekiwany poziom usuwania SO x. Należy tutaj uwzględnić fakt, ze SO 3 jest redukowane w mokrym absorberze w zakresie 50%, a zwiększanie stopnia usuwania SO x do bardzo wysokich (bliskich 100%) wartości spowoduje bardzo wyraźny wzrost kosztów inwestycyjnych i eksploatacyjnych - głównie po stronie zużycia energii elektrycznej. 3. Koncepcja całości obiektu musi uwzględniać problem ścieków z instalacji odsiarczania spalin. Ścieki te mogą zostać podczyszczone i pozbawione metali ciężkich oraz zawiesiny w typowej oczyszczalni mechaniczno-chemicznej natomiast kwestią otwartą jest usuniecie chlorków, siarczanów, związków boru, związków azotu, a w niektórych przypadkach także CHZT i BZT5. Z uwagi na trudności techniczno-technologiczne oraz kosztu rozbudowywania oczyszczalni o kolejne węzły dla usuwania tych zanieczyszczeń należy na etapie tworzenia koncepcji bloku podjąć decyzje w zakresie łączenia tych ścieków z innymi i kierowania do kolejnego stopnia oczyszczania względnie nad innymi metodami ich zagospodarowania. W tym zakresie strumień ścieków występujący przy węglu brunatnym stwarza z racji wielkości znacznie mniejsze problemy. Ponadto należy uwzględnić fakt, że osad powstający z ścieków w podczyszczalni jest osadem niebezpiecznym (zgodnie z klasyfikacją Dz.U ). 28