DEMONSTRACYJNA PRZEMYSŁOWA INSTALACJA JEDNOCZESNEGO USUWANIA S0 2 Z GAZÓW ODLOTOWYCH PRZY UŻYCIU WIĄZKI ELEKTRONÓW W ELEKTROWNI POMORZANY

Transkrypt

1 DEMONSTRACYJNA PRZEMYSŁOWA INSTALACJA JEDNOCZESNEGO USUWANIA S 2 1NO X Z GAZÓW ODLOTOWYCH PRZY UŻYCIU WIĄZKI ELEKTRONÓW W ELEKTROWNI POMORZANY Andrzej G. Chmetewsk, Edward Jller Instytut Chem Technk Jądrowej ul Dorodna 16, Warszawa PL412 The electron beam dry scrubbng process has been employed at Pomorzany Electrc Power Staton - Szczecn for smultaneous removal S 2 and N x from flue gases emtted by Benson bolers. The e-b nstallaton wll be treated 27 Nm 3 /h stream of flue gases. The parameters of e-b process are chosen so as to guarantee effcency removal of N x up to 8% and removal of up to 7% of S 2 for normal operaton. Such condtons for flue gases purfcaton wll assure, that after mxng of untreated and treated of flue gases, the permssble emsson and msson lmts of S 2 and N x wll not trespass. The by-product collected n electrostatc precptator s saleable an agrcultural fertlzer whch agrcultural applcaton has been confrmed by nvestgatons carred out n IUNG - Puławy, SGGW - Warszawa, AR - Szczecn. 1. Fzykochemczne podstawy procesu usuwana SO2 NOx z gazów odlotowych przy wykorzystanu energ wązk elektronów Wysokoenergetyczne elektrony poruszając sę w gaze wytwarzają wzdłuż drog swego przebegu setk jonów wolnych rodnków. Absorpcja energ elektronów przez różne składnk meszanny gazowej jest proporcjonalna do ch ułamka masowego. Dlatego też w przypadku gazów spalnowych ponad 99 % energ elektronów jest absorbowane przez azot, tlen, parę wodną oraz dwutlenek węgla. W nteresującym nas przypadku oczyszczana gazów odlotowych z SO 2 NO X oba te zaneczyszczena występują w newelkch loścach (SO 2 do 3 ppm, NO X do 5 ppm), proces przekazywana energ jest procesem pośrednm, co lustruje schemat: gazy matrycowe (N 2, O 2, H 2 O, CO 2 ) e" reakcja jon - cząsteczka > * jony, rodnk rodnk reakcje z gazam śladowym produkty Stada reakcj chemcznych prowadzących do jednoczesnej elmnacj SO 2 NO X z gazów odlotowych przedstawć można następująco: 45

2 GAZY SPALINOWE Cząstk aerozolu r(nh 4 ) 2 SO 4 Rys. 1. Stada reakcj chemcznych prowadzących do usunęca SO 2 NO X z gazów odlotowych w trakce ch ekspozycj wązką elektronów. Na sumaryczną sprawność elmnacj SO2 składa sę wydajność zachodzących reakcj termcznych radochemcznych. T1S2 = T] (<f>, T) + TI2 (D, CCNH3, T) O wydajnośc reakcj termcznej tl decyduje temperatura procesu oraz zawartość pary wodnej w gaze. Wydajność reakcj radochemcznej T\ 2 zależy od lośc energ dostarczonej do gazu (dawka), temperatury oraz lośc wprowadzonego do układu reakcyjnego amonaku. W odróżnenu od procesu usuwana SO 2, elmnacja NO X zachodz główne na drodze reakcj radochemcznych. Głównym parametrem decydującym o efektywnośc tego procesu jest lość energ dostarczonej do gazu. Temperatura, lość dodawanego amonaku wlgotność gazu ne mają znaczącego wpływu na stopeń usunęca NO* ze spaln. W pływ na efektywność usunęca NO X ma SO2 w gazach wchodzących do komory reakcyjnej, wraz z jego wzrostem rośne efektywność usunęca NO X, przy tej samej dawce energ elektronów. Reasumując, można stwerdzć, że do optymalnego przebegu procesu elmnacj SO2 NO X z gazów odlotowych przy wykorzystanu energ wązk elektronów wymagane są określone warunk: temperatura procesu 65-7 C, wlgotność gazów reakcyjnych 1-11% obj. wody, stechometra amonaku,8 -,9, dawka 1-12 kgy. Tak prowadzony proces, przy zastosowanu welostopnowej ekspozycj gazu wązką elektronów (w stacj plotowej na terene EC Kawęczyn mamy dwustopnowe napromenane, w stacj w EC Chubu - Nagoya zastosowano trzystopnową ekspozycję), pozwala na jednoczesne usunęce SO? NO X z wydajnoścą 9-97% dla SOT 7-85% dla NOx. 46

3 2. Założena technczno-procesowe nstalacj oczyszczana gazów odlotowych 2.1. Projektowe parametry gazu odlotowego Technologa wykorzystująca energę elektronów do jednoczesnej elmnacj S 2 NO X ze strumena gazów odlotowych, zostane zastosowana do oczyszczana spaln z kotłów Benson w EL Pomorzany, ZE Dolna Odra". Kotły te są obecne opalane węglem kamennym o następujących uśrednonych parametrach: wartość opałowa 2293 U/kg zawartość sark w węglu ~,8% zawartość popołu w węglu 22%. Spalny opuszczające kotły Benson przechodzą przez wysokosprawne elektrofltry, tak że zawartość popołu lotnego w spalnach ne przekracza 5 mg/nm 3. Zgodne z przeprowadzonym w EL Pomorzany okresowym pomaram zawartośc substancj szkodlwych popołów lotnych w gazach odlotowych z kotłów Benson uzasadnone wartośc ch stężeń przedstawają sę następująco: S 2 l,l-l,4g/nm 3 N x,6 -,7 g/nm 3 popół lotny,8 g/nm 3 7-8% C 2 8% CO % H 2 5% N 2 do blansu Temperatura gazów zawera sę w przedzale C Ops procesów przebegających w poszczególnych węzłach nstalacj oczyszczana gazów odlotowych Projektowana nstalacja oczyszczać będze strumeń gazów odlotowych o objętoścowym natężenu przepływu 27 Nm 3 /h. Efektywność usunęca S 2 wynese 7 %, N x elmnowane będze w 8 %. Okresowo poprzez zmanę parametrów pracy nstalacj możlwe będze podnesene skutecznośc elmnacj S 2 do ponad 9 % przy utrzymanu elmnacj N x na pozome 8 % [1,2]. Wysoke stężene tlenków azotu w gazach odlotowych z kotłów Benson, przy stosunkowo nskej zawartośc S 2 powoduje ustalene parametrów cągłej pracy nstalacj, tak aby zapewnć wysok stopeń usunęca tlenków azotu przy jednoczesnej elmnacj S 2 sęgającej 7 %. Wartośc tych parametrów różną sę od parametrów pracy nstalacj w warunkach optymalnej jednoczesnej redukcj S 2 N x wynoszącej ponad 9 % dla S 2 8 % dla N x. Proces realzowany będze w nstalacj, której schemat przedstawa rys.2. Składa sę ona z czterech zasadnczych jednostek: 1. kondycjonowane gazów odlotowych, 2. przygotowane podawane reagenta - amonaku, 3. układu reakcyjnego, 4. układu odboru magazynowana produktu ubocznego. 47

4 8 H S A -, 8 E N s B s r ) 1 rurocqj I prtyfqco J r: UKtAD REAKCYJNY "1 -reaktory I okceltratory produw uboczny (nowfzl ESp-«ltW(OfUr produwy u6o«n«so W - włuylatw aqgu - łtkttolltr lotnego popołu (OF- wtntyfotor a'qgu Rys. 2. Schemat nstalacj. Strumeń gazów odlotowych (27 Nm 3 /h) po usunęcu z nego stałych lotnych zaneczyszczeń w elektrofltrach kerowany jest do układu kondycjonowana. Tu poprzez wymanę cepła masy z rozpylonym kroplam wody, obnża swą temperaturę z 15 C do 8 C, a zawartość pary wodnej w gaze podnos sę z 5 % obj. do 11 % obj. Woda wprowadzana jest do kolumny zraszającej za pomocą dysz wodno-powetrzaych w lośc zapewnającej jej całkowte odparowane na długośc drog opadana kropel. Nad wylotem gazu z kolumny wprowadza sę do nego parę wodną uzyskując w ten sposób żądane nawlżene. Następne do tak przygotowanych spaln wprowadzany jest gazowy amonak w lośc podstechometrycznej w stosunku do lośc wynkającej z równana jego reakcj z S 2 N x. Amonak podawany jest ze stacj przygotowywana, gdze dostarczana cysternam woda amonakalna podlega rektyfkacj na wodę gazowy amonak. Po dozowanu amonaku, gazy przepływają do układu reakcyjnego. Tu następuje podzał strumena gazu na dwa cąg reakcyjne o objętoścowym natężenu przepływu gazu 142 Nm 3 /h w każdym z nch. W dwu reaktorach rurowych następuje ekspozycja gazów wązką elektronów o energ 8 kev emtowaną z dwu akceleratorów o mocy 3 kw każdy. Dostarczona do gazu energa umożlwa ncjacje reakcj radochemcznych, co w konsekwencj prowadz do elmnacj SO2 N x oraz powstana stałego produktu będącego meszanną sarczanu amonowego azotanu amonowego. Część tlenków azotu jest redukowana do azotu atmosferycznego tak, że stężene azotanu amonowego w produkce stałym jest nższe od wynkającego z blansu. Produkt ten odberany jest w elektrofltrze o specjalnej konstrukcj, granulowany magazynowany. Pozbawony S 2 N x gaz mesza sę z częścą gazu neoczyszczonego uchodz do komna. Parametry procesowe skład gazów w kluczowych punktach nstalacj w czase jej cągłej pracy podano w tabel 1. 48

5 Tabela 1 Praca cągła nstalacj, parametry procesowe skład gazów w kluczowych punktach nstalacj. Wlot do nstalacj Weża kondycjonowana Wylot z reaktora Wylot z nstalacj, CO, 8 % vol. 7 % vol. 8 % vol. 75 % vol. 6,6 % vol. 7,4 % vol. 75 % vol. 6,6 % vol. 7,4 % vol. 75 % vol. 6,6 % vol. 7,4 /» vol. SO 2 1,1 g/nm g/nm 5,31 g/nm 3,31 g/nm J NO,,6 g/nm',57 g/nm',12 g/nm 3,12 g/nm 3 NH,,3 g/nm 3,3 g/nm 3 H, S % vol. 11% vol. 11 % vol. 11 % vol. (NH,),SO, 49 kg/h NH,NO, 175 kg/h Popó} lotny.8 g/nm 3,6 g/nm! Produkt 2,45 g/nm 3,2 g/nm 1 Gaz odlotowy 27 Nm'/h 285 Nm'/l 285 NmVh 285 NnvVh Temp. gazów 14S C 8 C 9'C 9 C Zapotrzebowane głównych czynnków: Weża kondyconowana spaln woda 14,6 t/h sprężone powetrze 32 NmVh para wodna max. 4,5 t/h Węzeł dozowana amonaku gazowy amonak 18 kg/h Odbór produktu produkt uboczny 7 kg/h 3. Rolncze wykorzystane produktu Produkt wytwarzany w procese oczyszczana spaln z SO2 NO X przy użycu wązk elektronów jest meszanną dwóch sol amonowych - sarczanu azotanu. W zależnośc od stężena dwutlenku sark tlenków azotu w spalnach, zawartość azotu w produkce waha sę od 19 do 22% wag. Jest on pełnowartoścowym nawozem sztucznym o własnoścach zblżonych do powszechne stosowanych sol amonowych, potwerdzają to badana agrotechncznej użytecznośc produktu. Próbk produktu pochodzące z plotowej stacj pracującej w EC Kawęczyn zostały przebadane przez Centrum Naukowo-Wdrożenowe SGGW - Katedra Rekultywacj Środowska Przyrodnczego. Produkt z japońskej stacj plotowej uzyskał śwadectwo nawozu sztucznego w Japan Fertlzer Control Act., podobne śwadectwo otrzymał produkt ze stacj plotowej w Indanapols wydane przez producenta nawozów sztucznych na terene USA - C.F. Industres. Produkt z polskej stacj plotowej odpowada polskej norme na handlowy sarczan amonowy PN-85/C-872. Jest on chemczne czystszy od sarczanu amonowego uzyskwanego w procese produkcj kaprolaktamu czy w procese odsarczana gazów koksownczych (zawerającego smolste zwązk organczne). 49

6 Zawartość netak cężkch w produkce wynosła: ppm ppm Pb 26, 6, Cd 3, Cr 3,6 13,7 (wg IUNG) (wg SGGW) W próbkach kontrolnych produktu, których analzy wykonano w Zakładze Chem Analtycznej IChTJ, stwerdzono następujące lośc metal cężkch: ppm Pb - <5 Cd,5-,6 Cr 1-24 Hg,25-,5 As,25-,39 Jak wynka z podanych danych zawartość metal cężkch w otrzymanym produkce jest 5-5 razy mnejsza od dopuszczalnej ch zawartośc w nawozach sztucznych welokrotne nższa od dopuszczalnej ch zawartośc w kompostach. Odpowada ona normom obowązującym dla spożywczego sarczanu amonowego. Po pozytywnych testach agrarnych, chcąc nadać handlową postać powstającemu w trakce oczyszczana gazów odlotowych produktow ubocznemu, Instytut Chem Technk Jądrowej zwrócł sę do KZPS Sarkopol Tarnobrzeg o wykonane prób jego przydatnośc do wytwarzana granulowanych nawozów NP NPK. Wykonano odpowedne próby technologczno-łaboratoryjne, stosując otrzymany produkt uboczny jako składnk dwu nawozów sztucznych ceszących sę dużym zanteresowanem rolnków: Superfosamon W (NP 12,2-6,5) oraz Unfoska W (NPK 8,5-8,5-8,5). 4. Perspektywy dalszego rozwoju technologu usuwana SO 2 NOx z gazów dlotowych przy wykorzystanu energ wązk elektronów Projektowana obecne, a mająca powstać w Elektrocepłown Pomorzany, demonstracyjna przemysłowa nstalacja oczyszczać będze strumeń gazów odlotowych o objętoścowym natężenu przepływu 27 Nm /h. Instalacja oczyszczająca od S 2 strumeń gazów o objętoścowym natężenu przepływu wynoszącym 3 Nm 3 /h pracuje od początku 1998r. w Elektrocepłown Chengdu, znajdującej ńą w prowncj Schuan w Chnach. Stopeń usunęca S 2 wynos 85% przy jego początkowym stężenu dochodzącym do 15 ppm, elmnacja N x zachodz tylko w neznacznym stopnu. Gazy eksponowane są wązką elektronów w dwustopnowym układze, składającym sę z dwu akceleratorów o mocy 32 kw (4 ma x 8 kev). Otrzymany produkt uboczny to główne sarczan amonowy z newelką domeszką popołu azotanu amonowego. W projektowanu znajduje sę nstalacja oczyszczająca gazy odlotowe z bloku energetycznego o mocy 22 MW, pracującego w Elektrown Chubu w Nagoya (Japona). Z opalanego cężkm olejem bloku, oczyszczanu podlegać będze 62 Nm 3 /h gazu zawerającego 16 ppm S 2 16 ppm N x. Projektowana efektywność elmnacj S 2 wynos 92% przy jednoczesnym usunęcu N x sęgającym 6%. Wązk elektronów wytwarzane będą przez 6 jednostek akceleracyjnych umeszczonych symetryczne po obu stronach komory reakcyjnej. Moc pojedynczego akceleratora określono na 4 kw (5 ma x 8 kev). Opracowane w skal przemysłowej procesu jednoczesnego usuwana S 2 N x z gazów odlotowych przy wykorzystanu energ wązk elektronów pozwol na dalsze powększane skal budowanych nstalacj. 5

7 Następnym zasadnczym etapem będze budowa dużej przemysłowej nstalacj pozwalającej na oczyszczane 2 x 45, 9 lub 2 x 9 Nm 3 /h gazów spalnowych tj. na budowę nstalacj zdolnej usunąć jednocześne SO2 N x z gazów spalnowych wytwarzanych przez blok energetyczny o mocy rzędu 2-4 MWe pracujący w elektrown zawodowej. Wykonane tak zasadnczego skoku jakoścowego jak dzel przemysłowe demonstracyjne nstalacje od stacj przystosowanej do oczyszczana dużych lośc spaln powstających w blokach 2-4 MWe będze możlwe dzęk zebranu dośwadczeń z różnych etapów projektowana, budowy eksploatacj nstalacj demonstracyjnych. Budowane w przyszłośc duże przemysłowe stacje oczyszczana spaln charakteryzować będze: 1. Duża zwartość zabudowy na newelkej powerzchn 2. Możhwość jednoczesnej elmnacj S 2 N x w jednej nstalacj 3. Możlwość rolnczego wykorzystana powstającego w wynku procesu usuwana S 2 N x produktu ubocznego będącego nawozem sztucznym 4. Konkurencyjność kosztów nwestycyjnych operacyjnych w stosunku do dotychczas stosowanych metod odsarczana odazotowana gazów odlotowych. Podkreślć należy, że zwartość zabudowy nstalacj ma zasadncze znaczene dla elektrown dysponujących małą powerzchną przeznaczoną pod zabudowę nstalacj oczyszczana spaln. 5. Lteratura [1] A.G. Chmelewsk, E. Iller, Z. Zmek, M. Romanowsk, K. Kopersk; Industral demonstraton plant for electron beam flue gas treatment, Radaton Physc and Chemstry, 46(4-6), p (1995). [2] Industral Demonstraton Plant for E-B Purfcaton of Flue Gases, Basc Engneerng Study, Warsaw, January ]