SYSTEMY MONITORINGU I STEROWANIA PRZEMYSŁOWĄ INSTALACJĄ ODSIARCZANIA I ODAZOTOWANIA SPALIN PRZY UŻYCIU WIĄZKI ELEKTRONÓW Z AKCELERATORA

Transkrypt

1 SYSTEMY MONITORINGU I STEROWANIA PRZEMYSŁOWĄ INSTALACJĄ ODSIARCZANIA I ODAZOTOWANIA SPALIN PRZY UŻYCIU WIĄZKI ELEKTRONÓW Z AKCELERATORA Janusz Licki 1 ', Andrzej G. Chmielewski 27, Edward Iller 27, cśi Bogdan Tymiński 2/, Jan Mazurek 3 ', Lech Sobolewski 3/ ij 3 " Instytut Energii Atomowej, Otwock-Świerk == Instytut Chemii i Techniki Jądrowej, Warszawa 3/ EC POMORZANY, Szczecin i (D Abstract MONITORING AND CONTROL SYSTEM OF INDUSTRIAL INSTALLATION FOR DESULPHURISATION AND DENITRIFICATION OF FLUE GAS USING THE ELECTRON BEAM FROM ACCELERATOR The electron-beam flue gas treatment process is a dry scrubbing process which simultaneously removes sulfur dioxide and nitrogen oxides from flue gas. The obtained final product is a mixture of ammonium sulfate and nitrate and can be used as valuable fertilizer. This fact was proved by tests performed by many agricultural institutions. In this process flue gas emitted from boiler is humidified up to 11% (V) in a dry - bottom spray cooler, ammonia is then injected before irradiation vessel and the whole gas mixture is irradiated by two electron-beams in the irradiation vessel with sufficient beams current. The installation should be equipped with modern monitoring and control systems. Flue gas parameters at critical points in the installation are continuously monitored, collected and presented on synoptic. These results are used for controlling the flow rate of admitted to flue gas: water, water vapour, compressed air and ammonia as well as to control beam current in both accelerators. The control system includes feedbacks as well as feeds forward. Both systems were tested at pilot plant in EPS KAWĘCZYN and are verified at industrial - demonstration plant in EPS POMORZANY in Szczecin. 1. WSTĘP Coraz ostrzejsze ustawowe ograniczenia emisji do atmosfery szkodliwych zanieczyszczeń gazowych takich jak SO? i NO X zmuszają zakłady energetyczne do stosowania technologii zapewniających usuwanie tych zanieczyszczeń ze spalin z wysoką efektywnością. Najczęściej stosowaną metodą usuwania SO: jest mokra metoda wapniakowa a usuwania NO X - redukcja katalityczna [1]. Zastosowanie znalazła także amoniakalna metoda odsiarczania spalin [2]. Technologia wykorzystująca energię wiązki elektronów z akceleratora jest jedną z nielicznych technologii, w której jednocześnie dokonuje się odsiarczanie i odazotowanie spalin. W wyniku oddziaływania wysokoenergetycznych elektronów ze składnikami spalin, głównie z molekułami NI, 11

2 CO 2, H 2 O i O 2, wytwarzane są rodniki OH*, O* i HO 2 *. Te wysoce aktywne indywidua, reagując z SO 2 i NO X, utleniają je. Powstałe SO 3 i NO 2 w połączeniu z parą wodną zawartą w spalinach, tworzą mieszaninę kwasu siarkowego i azotowego. Wprowadzenie do spalin amoniaku, przed ich wlotem do komory radiacyjnej, prowadzi do wytworzenia siarczanu i azotanu amonu w wyniku reakcji neutralizacji ww. kwasów. Wytworzone sole amonowe są wydzielane w elektrofiltrze w postaci suchego proszku. Jak wykazały liczne badania agrotechniczne, są one pełnowartościowym nawozem sztucznym i mogą być stosowane bezpośrednio jako nawóz jednoskładnikowy lub jako składnik wysokoprzetworzonych granulowanych nawozów typu NPK. Badania nad tą technologią zapoczątkowano w Japonii. Później dołączyły USA, Niemcy i Polska. Polską instalację pilotową zbudowano w Elektrociepłowni Kawęczyn, gdzie przeprowadzane są badania oczyszczania spalin odlotowych z elektrofiltra kotła WP-120. Pozytywne wyniki badań przeprowadzonych w tej instalacji jak i w jej podobnych, zbudowanych we wspomnianych krajach, stanowią podstawę do budowy przemysłowych instalacji oczyszczania spalin odlotowych. Pierwszą taką instalację uruchomiono w 1999 roku w chińskiej elektrowni w Chengdu, a następną uruchomiono w Polsce w 2000 roku w Elektrowni POMORZANY w Szczecinie. Obecnie trwają testy optymalizacyjne polskiej instalacji przemysłowo-demonstracyjnej. Instalacje oczyszczania spalin wymagają zastosowania nowoczesnych systemów monitoringu i sterowania pozwalających na optymalne prowadzenie procesu ze względu na zużycie energii i surowców oraz na nadążną regulację parametrów pracy instalacji względem zmiennego obciążenia bloku energetycznego. W pracy przedstawiono systemy monitoringu i sterowania dla instalacji oczyszczania spalin przy użyciu wiązki elektronów z akceleratora. Oba te systemy były przetestowane w trakcie pracy instalacji pilotowej w EC KAWĘCZYN, a obecnie są weryfikowane w instalacji przemysłowej w Elektrowni POMORZANY w Szczecinie. 2. SYSTEM MONITORINGU I STEROWANIA PRZEMYSŁOWĄ INSTALACJĄ OCZYSZCZANIA SPALIN Oba systemy są ściśle powiązane ze sobą. System monitoringu na bieżąco zbiera i gromadzi informacje m.in. o wartościach parametrów operacyjnych instalacji, zaś system sterowania wypracowuje z tych danych odpowiednie nastawy dla organów wykonawczych. System sterowania musi nadążać za wszelkimi zmianami obciążenia bloku energetycznego. 12

3 Do tego celu wykorzystuje się zarówno sprzężenia nadążne jak i sprzężenia zwrotne. Do poszczególnych sterowników są doprowadzone informacje o wartościach parametrów spalin określanych na wlocie i wylocie instalacji Schemat ogólny przemysłowej instalacji oczyszczania spalin Proces oczyszczania spalin przy użyciu wiązki elektronów z akceleratora jest wieloparametrycznym procesem fizyko-chemicznym. Wiele parametrów ma wpływ na efektywność usunięć SOa i NO X. Parametry spalin opuszczających elektrofiltr kotła energetycznego różnią się znacznie od pożądanych parametrów zapewniających uzyskiwanie wysokiej sprawności usunięcia. Zadaniem systemu sterowania automatycznego jest kondycjonowanie spalin dla uzyskania pożądanych usunięć SO2 i NO X. Spaliny odpylone w elektrofiltrze (2 na rys.) są nawilżane i schładzane do temperatury C strumieniem wody rozpylonej na mikronowe krople w komorze nawilżania. Następnie przed wlotem do komory radiacyjnej (5 na rys.) do strumienia nawilżonych spalin jest podawany amoniak, w ilości zbliżonej do stechiometrycznej w stosunku do usuwanych zanieczyszczeń. W komorze radiacyjnej spaliny są napromieniowywane wiązkami elektronów emitowanych z poszczególnych głowic akceleracyjnych. Wytworzony w procesie produkt końcowy jest wydzielany w elektrofiltrze (8 na rys.). Dla zapewnienia sprawnej pracy całej instalacji konieczne jest przestrzeganie reżimów temperaturowych w poszczególnych węzłach technologicznych, np. temperatura spalin na wlocie do elektrofiltra produktu (8) powinna być wyższa od wartości progowej podanej przez producenta. Oczyszczone spaliny poprzez komin (10) wydostają się do atmosfery System monitoringu Zadania systemu Dla kontroli i sterowania pracą instalacji niezbędne są pomiary parametrów procesowych w jej węzłowych punktach. W sposób ciągły muszą być monitorowane parametry spalin i wiązek elektronów, które bezpośrednio wpływają na sprawność usunięcia SC>2 i NO X jak również na funkcjonowanie całej instalacji. Pomiary takie muszą być wiarygodne i dokładne bowiem ich wyniki są wykorzystane do: - automatycznego sterowania pracą poszczególnych węzłów technologicznych instalacji, 13

4 - wizualizacji przebiegu procesu (synoptyki), - sygnalizacji i rejestracji stanów alarmowych, - gromadzenia, przetwarzania i analizy danych pomiarowych, - tworzenia i drukowania raportów (w tym obligatoryjnych dla WIOŚ), - edycji danych i obrazów synoptycznych Struktura systemu monitoringu Podstawowym zadaniem systemu jest ciągły pomiar parametrów procesowych. Okresowo bądź doraźnie przeprowadzane są pomiary sprawdzające metodami manualnymi. Pomiary takich parametrów, jak: temperatura, ciśnienie, przepływ objętościowy, zapylenie oraz wilgotność wykonywane są przy użyciu czujników zainstalowanych bezpośrednio na kanałach spalin. Na rysunku przedstawiono schematycznie lokalizację poszczególnych punktów pomiarowych. poro irodrto Rys. Schemat ogólny instalacji oczyszczania spalin przy użyciu wiązki elektronów z akceleratorów: l - kocioł energetyczny, 2 - elektrofiltr (popiół), 3 - komora nawil żania, 4 - zbiornik z amoniakiem, 5 - komora radiacyjna, 6 - osłona radiacyjna, 7 - głowice akceleracyjne, 8 - elektrofiltr produktu, 9 - wentylator, 10 - komin. Na kanałach spalin są zainstalowane również króćce pomiarowe dla sprawdzających pomiarów manualnych. Pomiary stężeń gazowych składników spalin są prowadzone metodami ekstrakcyjnymi z poborem i przesyłaniem do analizatorów próbek spalin z użyciem dróg grzanych i odpowiednich filtrów. Dokładny pomiar wymaga wcześniejszego usunięcia z 14

5 próbki spalin niepożądanych składników zniekształcających mierzony sygnał, takich jak: pył, para wodna i amoniak (na wylocie instalacji). Wszystkie ekstrakcyjne analizatory spalin są zlokalizowane w dwóch klimatyzowanych kontenerach. Aparatura zgromadzona w pierwszym kontenerze służy do pomiaru składu spalin na wlocie do instalacji oraz na wlocie do komory radiacyjnej, zaś w drugim kontenerze - do określenia uciążliwości ekologicznej spalin opuszczających instalację. Sygnały wyjściowe z mierników bądź czujników, zainstalowanych bezpośrednio na kanałach spalin, przekazywane są do kontrolera programowalnego (np. DMS-500 firmy Durag). Są to sygnały prądowe 4-20 ma. Do kontrolera doprowadzone są także sygnały prądowe z analizatorów spalin, zainstalowanych w kontenerze. Kontroler przetwarza sygnały wejściowe, dokonuje odpowiednich obliczeń i sporządza raporty. Obliczone wartości parametrów są przesyłane w postaci cyfrowej magistralą światłowodową do Komputerowego Systemu Kontroli i Sterowania (KSKS), zlokalizowanego w sterowni instalacji. W KSKS gromadzone są dane o wszystkich istotnych parametrach procesowych. Dane te są przetwarzane i prezentowane w postaci graficznej lub tekstowej. Większe węzły technologiczne, takie jak akcelerator z dużą mocą wiązki elektronów bądź elektrofiltr, dostarczane są wraz z autonomicznym systemem kontroli i sterowania. Z takich sterowników automatycznych do KSKS przesyłane są informacje o podstawowych parametrach i sygnały statusowe. Zagwarantowano również dwustronną komunikację. Operator, ze sterowni instalacji, może zmieniać tylko główne parametry w węźle ze sterownikiem autonomicznym. Pomiary doraźne są przewidziane w następujących przypadkach: - sprawdzenia pomiarów ciągłych. W tym przypadku oba króćce pomiarowe są rozmieszczone blisko siebie, ale pomiary te nie są wzajemnie zakłócane (konieczne jest przesunięcie kątowe osi króćców o ±90 ); - kalibracji mierników in situ (np. zapylenia spalin, wilgotności i strumienia objętości spalin); - pomiaru parametrów, których nie obejmują pomiary ciągłe, np. stężenia NiO. Zestawy do pomiarów doraźnych bazują na manualnych metodach fizyko-chemicznych [3] Preferencje dotyczące metod pomiarowych i aparatury W instalacji odsiarczania i odazotowania spalin stężenia SOai NO X w spalinach są podstawowymi parametrami procesowymi. Do ich pomiarów należy użyć analizatorów spalin charakteryzujących się wysoką stabilnością, czułością i selektywnością oraz spełniających wymogi podane przez Państwową Inspekcję Ochrony Środowiska [4]. Zgodnie z wytycznymi do 15

6 analizy stężeń SO 2 zalecany jest analizator działający na zasadzie fluorescencji impulsowej lub analizator NDUV. Do pomiaru slężeń NO/NO X zaleca się analizator chemiluminescencyjny, zaś do pomiaru stężeń O 2 - analizator paramagnetyczny. Duża wilgotność spalin oraz obecność nieprzereagowanego amoniaku na wylocie z instalacji oczyszczania spalin znacznie komplikują metody pomiarowe. Dla uniknięcia dalszego przereagowania NHa z SOi, na linii pomiarowej stężenia SC>2 i NO X zastosowano skruber amoniaku i utrzymywano temperaturę drogi grzanej na odcinku od punktu poboru spalin do skrubera amoniaku na poziomie około 180 C. Kotły energetyczne pracują średnio 11 miesięcy w roku. Instalacja oczyszczania spalin powinna pracować w tym czasie z minimalną obsługą. Aparatura pomiarowa wchodząca w skład systemu monitoringu spełnia następujące wymagania: poszczególne układy pomiarowe są przystosowane do ciągłej pracy, praktycznie bez dozoru; - dyspozycyjność układów >90% - w skład systemu wchodzą dokładne i wysoce selektywne analizatory spalin z wysoką stabilnością długoczasową; - analogowy sygnał wyjściowy - prądowy 4-20 ma; - czas odpowiedzi mniejszy od 100 s; - łatwy sposób kalibracji, kalibracja nie częściej niż raz na tydzień; - aparatura jest zamontowana w stojakach 19-ralowych, w klimatyzowanym kontenerze, zabudowa modułowa, powinna istnieć możliwość wymiany części w systemie bez konieczności zatrzymywania pracy całej instalacji System sterowania instalacją Proces oczyszczania spalin można podzielić na trzy następujące po sobie etapy: kondycjonowanie spalin, napromieniowanie spalin w komorze radiacyjnej i odbiór produktu końcowego w elektrofiltrze. W każdym etapie realizowane są specyficzne zadania systemu sterowania. Dla uzyskania optymalnego usunięcia SC>2 i NO X w instalacji wszystkie te zadania muszą być wypełnione jednocześnie. Kondycjonowanie spalin polega na zmodyfikowaniu temperatury i wilgotności spalin wlotowych oraz na dozowaniu odpowiedniej ilości amoniaku do spalin. Do sterowania tymi operacjami technologicznymi wydzielono trzy sterowniki: Xi - sterowanie dozowaniem amoniaku do spalin, X4 - sterowanie temperaturą spalin na wylocie z komory nawilżania, 16

7 Xs - sterowanie wilgotnością spalin opuszczających komorę nawilżania. Z badań przeprowadzonych na instalacjach pilotowych wynika, że optymalne usunięcia uzyskuje się przy następujących wartościach czterech wyżej wymienionych parametrów spalin kierowanych do komory radiacyjnej: - temperatura w przedziale C, - wilgotność bezwzględna wyższa od 10% (V), - współczynnik stechiometrii amoniaku powyżej 0,85, - dawka zaabsorbowana powyżej 10 kgy. Temperatura spalin na wlocie do instalacji zawiera się w przedziale C. Schłodzenie spalin dokonuje się w komorze nawilżania, gdzie do przepływających spalin wtryskuje się drobno rozpyloną wodę. Kropelki wody wędrując współprądowo ze spalinami na skutek wymiany ciepła i masy odparowują. W rezultacie następuje ' '^' ndzenie spalin i zwiększenie ich wilgotności. Rozmiary rozpylonv ' :copelek wody i wysokość komory nawilżania należy powiązać ze v ją, tak aby rozpylone kropelki zdążyły odparować na długości drogi opadania w komorze. Dno komory powinno być suche. Do rozpylania wody stosuje się odpowiednie dysze wodno-powietrzne instalowane na szczycie komory nawilżania. Ciśnienie sprężonego powietrza, stosowanego do rozpylania wody, musi być wyższe od ciśnienia wody kierowanej do dysz. Zadaniem kontrolera X^ (rys.) jest utrzymanie wymaganej różnicy ciśnień. Wydatek wody kierowanej do dysz jest kontrolowany przez kontroler X4, dla którego sygnałem roboczym jest temperatura spalin opuszczających komorę nawilżania (pomiar TRC - 3.1). W czasie schładzania spalin w komorze nawilżania wilgotność spalin zwiększa się. Na wylocie z komory mierzy się wilgotność spalin (pomiar MRC - 3.2). Jeżeli ta wilgotność jest niższa od ustalonej wartości wówczas zwiększa się ją przez dozowanie pary wodnej do spalin zawartych w dolnej części komory nawilżania. Wydatek pary jest sterowany przez sterownik X 5. Sprawne działanie obu obwodów sterowania (temperaturą i wilgotnością spalin) powinno stworzyć optymalne warunki dla napromieniowania spalin. Do nawilżonych spalin, przed ich wlotem do komory radiacyjnej, należy wprowadzić podstechiometryczną ilość amoniaku. Ilość dozowanego NHs zależy od stężeń wlotowych i wylotowych SOo i NO X oraz strumienia objętościowego spalin. Do sterowania ilością dozowanego amoniaku użyto kontrolera X\. Na wylocie z instalacji mierzy się stężenie nieprzereagowanego amoniaku (pomiar NH 3 R - 4.4). Emisja amoniaku do atmosfery jest szkodliwa. Stąd stężenie nieprzereagowanego amoniaku włączono w pętle sprzężenia zwrotnego. Jeśli stężenie to przekroczy ustaloną wartość, wówczas kontroler Xi dokonuje odpowiedniego zmniejszenia wydatku dozowanego amoniaku, 17

8 W komorze radiacyjnej następuje napromieniowanie spalin wiązką elektronów z akceleratorów. Dla uzyskania wysokiej efektywności usunięcia NO X należy zastosować dwustopniowe napromieniowanie spalin. W komorze radiacyjnej, zwykle w kształcie walca, należy zainstalować dwa okna wejściowe z folii tytanowej o grubości 50 (im, nad którymi umieszczone zostaną dwie głowice akceleracyjne. Do napromieniowania spalin należy użyć wiązki elektronów o określonej energii i mocy. Energia elektronów powinna wystarczyć na pokrycie strat ich energii na drodze do komory radiacyjnej i na przebycie w nawilżonych spalinach drogi bliskiej średnicy komory radiacyjnej. Moc wiązki powinna zapewnić uzyskanie odpowiedniej dawki zaabsorbowanej w spalinach. Do sterowania dawką użyto kontrolera X 2. Jego podstawowym zadaniem jest wyznaczanie i utrzymywanie prądów wiązki Ii i l-i w obu akceleratorach. Dawka zaabsorbowana przez spaliny w istotny sposób wpływa na usunięcie NO X. Stąd do jej sterowania wykorzystuje się pomiar usunięcia NO X. Wielkość dawki zależy również od stężenia wlotowego NO X. Do wyliczania prądów Ii i \2 potrzebne są informacje o strumieniu objętości spalin przepływających przez komorę radiacyjną (pomiar FR - 3.4). Po napromieniowaniu w komorze radiacyjnej spaliny przepływają do elektro filtra produktu, gdzie od spalin oddzielany jest produkt końcowy - siarczan i azotan amonu. Elektrofiltr powinien być przystosowany do odbioru submikronowych i higroskopijnych cząstek produktu końcowego. Wymagana jest wysoka efektywność odbioru produktu z uwagi na jego dużą wartość użytkową. Zapylenie spalin opuszczających elektrofiltr nie powinno przekraczać 20 mg/nm 3. Z reguły wytwórcy dużych elektrofiltrów dostarczają je wraz z systemem sterowania. 3. PODSUMOWANIE Systemy monitoringu i sterowania instalacją odsiarczania i odazotowania spalin umożliwiają optymalne prowadzenie procesu ze względu na zużycie energii i surowców zarówno w stanie ustalon.^o, jak i zmiennego obciążenia bloku energetycznego. W sposób ciągły muszą być monitorowane parametry spalin i wiązek elektronów, które bezpośrednio wpływają na sprawność usunięcia SOi i NO X jak również na funkcjonowanie całej instalacji. Pomiary takie powinny być reprezentatywne, wiarygodne, dokładne i wysokoselektywne. Przyrządy użyte do tych pomiarów muszą spełniać wymagania normatywne (specyficzne dla danego typu pomiarów) 18

9 i ogólne [4]. System sterowania wypracowuje z tych danych odpowiednie nastawy dla organów wykonawczych. Dla uzyskania optymalnego usunięcia SC>2 i NO X należy do spalin dozować odpowiednią ilość: wody procesowej, pary wodnej, sprężonego powietrza i amoniaku a następnie napromieniowywać całość wiązką elektronów z określoną dawką. Do sterowania tymi operacjami technologicznymi użyto odpowiednich sterowników programowalnych. Optymalne usunięcia uzyskuje się przy jednoczesnym współdziałaniu wszystkich obwodów monitoringu i sterowania. LITERATURA [1]. Simon O.: Exploitation experiences with conventional flue gas cleaning systems. Radiat. Phys. Chem., 45, 6, (1995). [2]. Mazur M.: Odsiarczanie spalin metodą amoniakalną. Prace i Studia Instytutu Podstaw Inżynierii Środowiska, 53, (2000). [3]. Licki J., Chmielewski A.G., Zakrzewska-Trznadel G., Frank N.W.: Monitoring system for an eb flue gas treatment pilot plant - Part I. Analytical system and methods. Radiat. Phys. Chem., 40, (1992). [4]. Wytyczne doboru warunków i eksploatacji stacjonarnych systemów ciągłych pomiarów zanieczyszczeń wprowadzanych do powietrza. Państwowa Inspekcja Ochrony Środowiska, styczeń