BADANIA EFEKTYWNOŚCI ODSIARCZANIA SPALIN METODĄ QUASI SUCHEJ SORPCJI W PLACKU FILTRACYJNYM - SKALA PILOTOWA Kazimierz Gaj, Franciszek Knop

Transkrypt

1 BADANIA EFEKTYWNOŚCI ODSIARCZANIA SPALIN METODĄ QUASI SUCHEJ SORPCJI W PLACKU FILTRACYJNYM - SKALA PILOTOWA Kazimierz Gaj, Franciszek Knop Streszczenie Przedstawiono charakterystykę metody odsiarczania spalin w filtroreaktorze, opis budowy, zasady działania instalacji i sposobu prowadzenia badań oraz analizę uzyskanych rezultatów. Idea metody opiera się na mechanizmie chemisorpcji SO 2 w uaktywnionym placku filtracyjnym w warunkach bliskich punktowi rosy spalin. Przeprowadzone badania poligonowe potwierdziły doniesienia literaturowe, że głównym czynnikiem limitującym skuteczność odsiarczania w metodach suchych i półsuchych jest wilgotność względna spalin. Stwierdzono, że aby uzyskać skuteczność powyżej 80 %, przy stosunku Ca/S z zakresu 1 1.5, wilgotność względna spalin powinna przekraczać 70 %. Efektem badań jest opracowanie zależności matematycznej, pozwalającej na określenie niezbędnej dozy wapna hydratyzowanego dla danej wilgotności względnej spalin i założonej skuteczności odsiarczania. WPROWADZENIE Konieczność odsiarczania spalin w Polsce wynika z jednej strony ze struktury i jakości krajowych surowców energetycznych a z drugiej strony z podjętych zobowiązań międzynarodowych i ustawodawstwa krajowego. Całkowita roczna emisja SO 2 sięga w Polsce ok. 2.6 mln ton, z czego ok. 1.6 mln ton pochodzi z energetyki zawodowej [1]. Zgodnie z podpisanym przez Polskę II Protokołem Siarkowym do roku 2010 powinien nastąpić spadek emisji SO 2 do poziomu ok. 1.4 mln ton. Równocześnie, mocą wydanego dnia r. rozporządzenia MOŚ,ZNiL, od r. zaostrzone zostaną dla istniejących instalacji energetycznych normy emisji SO 2, NO x i pyłu. Jak dotąd nie opracowano uniwersalnej metody usuwania SO 2 ze spalin. Najpowszechniej stosowana jest mokra metoda wapienna, zapewniająca wysoką skuteczność, ale kosztowna i uciążliwa w eksploatacji. Główne niedogodności tej metody związane są z układem przygotowania, dozowania i regeneracji sorbentu oraz unieszkodliwiania i zagospodarowania szlamów poreakcyjnych i ścieków. Wydaje się jednak, że w przypadku dużych obiektów energetycznych, dla których wymagana skuteczność odsiarczania przekracza 90 %, stosowanie tej metody - przy pełnym zagospodarowaniu powstającego w jej trakcie gipsu syntetycznego - jest uzasadnione. Inaczej przedstawia się sytuacja w przypadku mniejszych obiektów, zwłaszcza gdy wymagania co do skuteczności metody nie są tak ostre. Mowa tu o lokalnych kotłowniach i elektrociepłowniach o mocy do kilkudziesięciu MW t, w przypadku

2 których stosować można dynamicznie rozwijające się w ostatnich latach [2 8], tańsze i prostsze w eksploatacji, metody suche i półsuche (tym bardziej, że w przypadku obiektów istniejących, ich zwarta zabudowa może eliminować wymagające większej powierzchni terenu metody mokre). Do najnowszych trendów w tej grupie technologii można zaliczyć badaną w niniejszej pracy metodę odsiarczania spalin przy wykorzystaniu uaktywnionego placka filtracyjnego [9 11]. Pozwala ona na równoczesne, wysokoskuteczne odsiarczanie i odpylanie spalin w jednym urządzeniu. Metoda ta ma cechy zarówno metod suchych jak i półsuchych. W ogólnym zarysie polega na iniekcji odpowiednio rozdrobnionego, suchego wapna hydratyzowanego do uprzednio skondycjonowanych spalin i chemisorpcji SO 2 w alkaliach ekstrahowanych z popiołu lotnego i dozowanego sorbentu. Reakcja zachodzi głównie w fazie ciekłej, dzięki kapilarnej kondensacji pary wodnej zawartej w spalinach, jaka ma miejsce w porach ziaren sorbentu i popiołu. Zasadniczy proces odsiarczania odbywa się w warstwie filtracyjnej filtra workowego, w którym równocześnie następuje wytrącanie suchych produktów reakcji, popiołu lotnego i nieprzereagowanego sorbentu. Warunkiem efektywnego i bezawaryjnego przebiegu procesu jest utrzymanie oczyszczanych gazów w odpowiednim stanie termodynamicznym, tj. nieco powyżej punktu rosy. W porównaniu do metod suchych pozwala ona na uzyskanie znacznie wyższych skuteczności odsiarczania (do 90 %), przy zbliżonych kosztach eksploatacyjnych. Wobec metod mokrych, pozwalających na osiąganie podobnych skuteczności odsiarczania, wykazuje takie zalety jak: brak ścieków i mokrych odpadów, niższe koszty inwestycyjne i eksploatacyjne, brak problemów z zarastaniem instalacji wytrącanymi osadami. W porównaniu do metod półsuchych-zawiesinowych nie wymaga oddzielnego reaktora i odpylacza (oba procesy zachodzą w jednym urządzeniu), układu przygotowania i dozowania zawiesiny ani specjalnych zabezpieczeń przed zarastaniem instalacji osadami. Wadą metody (podobnie jak metod suchych i półsuchych-zawiesinowych) jest wytwarzanie trudnych do zagospodarowania odpadów, wymagających specjalnego składowania. Wydaje się jednak, że - wobec szerokich planów budowy autostrad w najbliższych latach w Polsce - problem ten jawić się będzie bardziej jako organizacyjny niż technologiczny. Można przewidywać, że podjęte zostaną próby wykorzystania tego typu odpadów (zawierających głównie popiół lotny, nieprzereagowany Ca(OH) 2 oraz siarczyny i siarczany wapnia) jako dodatku w produkcji cementu lub mas bitumicznych czy też do produkcji kruszyw. Odpady te mogą być również wykorzystane w budownictwie do wytwarzania zapraw wapienno-gipsowych, do zastosowań wewnątrz budynków [9]. 2

3 W Instytucie Inżynierii Ochrony Środowiska Politechniki Wrocławskiej od kilku lat prowadzone są prace badawcze poświęcone zarówno podstawom teoretycznym przebiegu procesu odsiarczania wg wyżej opisanej metody [12,13], jak również badania procesu w skali laboratoryjnej i półtechnicznej [13,14]. Ich ostatnim etapem były badania modelowej instalacji pilotowej, przeprowadzone przy wykorzystaniu spalin z kotła WR-10, zainstalowanego w kotłowni Zakładów Zmechanizowanego Sprzętu Domowego POLAR we Wrocławiu [15]. Celem przeprowadzonych badań była weryfikacja zastosowanej metody oczyszczania spalin i przyjętych rozwiązań technicznych w warunkach rzeczywistych, przetestowanie i regulacja zaprojektowanych i wykonanych w Instytucie układów automatyki i sterowania oraz opracowanie zależności matematycznej ujmującej wpływ wilgotności względnej spalin na skuteczność ich odsiarczania wg analizowanej metody. INSTALACJA DOŚWIADCZALNA Ideę metody przedstawiono schematycznie na rys. 1. POWIETRZE CHŁODZĄCE KOCIOŁ SPALINY WĘZEŁ KONDYCJO- NOWANIA SPALIN ZASOBNIK CA(OH) 2 FILTRO- REAKTOR MIESZANINA SPALIN OCZYSZCZONYCH I POWIETRZA K O M I N WODA POWIETRZE OGRZANE PRODUKT STAŁY JEDNOCZESNEGO ODPYLANIA I ODSIARCZANIA SPALIN Rys. Błąd! Nieznany argument przełącznika.. Schemat ideowy metody równoczesnego odpylania i odsiarczania spalin Gorące spaliny są wstępnie chłodzone i (nieobligatoryjnie) nawilżane. Odebrane ciepło służy do wygrzewania dwupłaszczowej komory filtroreaktora (zapobiegając kondensacji wilgoci i stabilizując pole temperatur w przestrzeni zawartej wokół placka filtracyjnego) i do podgrzania oczyszczonych gazów odlotowych. Proces odsiarczania oparty jest na dwóch 3

4 mechanizmach wymiany masy: absorpcji z reakcją chemiczną i adsorpcji, które zachodzą głównie w mikro- i mezoporach ziaren sorbentu i popiołu lotnego. Oczyszczone spaliny mieszają się z powietrzem wygrzewającym przestrzeń międzypłaszczową komory filtra po czym kierowane są do wyrzutni kominowej. Głównym produktem reakcji jest siarczyn wapnia, odbierany w postaci suchego proszku. Schemat technologiczny instalacji badawczej przedstawiono na rys. 2. Spaliny z czopucha kotła przepływały do kolumny natryskowej 1, w której (w razie potrzeby) schładzały się i nawilżały w wyniku całkowitego odparowania drobno rozpylonych kropel wody, po czym doprowadzane były do płaszczowo-rurowego wymiennika ciepła 2. W wymienniku spaliny, przepływając w przeciwprądzie do powietrza zewnętrznego, schładzały się do temperatury bliskiej termodynamicznemu stanowi nasycenia wilgocią, po czym wprowadzane były do filtroreaktora 3. Do przewodu spalin przed filtroreaktorem dozowano (za pomocą dozownika 5) Ca(OH) 2. Mieszanina oczyszczonych spalin i powietrza usuwana była na zewnątrz wentylatorem 4. METODYKA BADAŃ Cykl badawczy rozpoczynano od wygrzania wewnętrznej komory filtra (powietrzem chłodzącym z wymiennika) do założonej temperatury procesu odsiarczania, przepuszczając w tym czasie spaliny obejściem. Po osiągnięciu żądanej temperatury spaliny kierowano do filtra i rozpoczynano ewentualne ich nawilżanie. Następnie, po ustaleniu się założonych warunków termodynamicznych, uruchamiano dozownik sorbentu, ustalając jego wydajność w zależności od stężenia SO 2 w spalinach. Wilgotność względną spalin regulowano korygując ilość rozpylanej wody lub ilość powietrza przepływającego przez wymiennik. Pełny cykl badawczy trwał ok. 10 godzin. Łącznie wykonano 20 długookresowych pomiarów dla różnych nastaw parametrów procesu. Okres ciągłej eksploatacji instalacji wyniósł ok godzin. Badania skuteczności odsiarczania spalin przeprowadzono dla zakresu zmienności stosunku masowego Ca/S = i wilgotności względnej spalin w zakresie ϕ = %. W trakcie badań kocioł zasilany był miałem węglowym o wartości opałowej ok kj/kg, zawierającym ok. 20 % popiołu, 0.7 % siarki i 10 % wilgoci. Jako sorbent stosowano handlowe wapno hydratyzowane, wyprodukowane przez cementownię Górażdże, o gęstości właściwej 2230 kg/m 3 i średnicy Sautera ok. 38 µm (ponad 80 % ziaren o średnicy mniejszej od 60 µm) [15]. 4

5 Rys. Błąd! Nieznany argument przełącznika.. Schemat technologiczny 1 - kolumna natryskowa, 2 - wymiennik ciepła, 3 - filtroreaktor, 4 - wentylator, 5 - dozownik, 6 - sprężarka, 7 - zbiornik sprężonego powietrza, 8 - dysza pneumatyczna, 9 - rurka Prandtla, 10 - czujnik temperatury z przetwornikiem i wyświetlaczem cyfrowym, 11 - termopara, 12 - termometr suchy, 13 - termometr mokry, 14 - mikromanometr cyfrowy, 15 - sterownik, 16 - króciec do poboru próbek spalin, 17 - króciec dozowania sorbentu, 18 - króciec odbioru impulsów ciśnienia, 19 - zawór elektromagnetyczny, 20 - zawór regulacyjny, 21 - zawór odcinający. WYNIKI BADAŃ Wyniki badań przedstawiono na rys. 3 i 4 oraz uogólniono w formie równań regresji. Na podstawie osiągniętych rezultatów można stwierdzić, że głównym czynnikiem limitującym efektywny przebieg odsiarczania spalin wg proponowanej metody jest stan termodynamiczny spalin, a ściślej stosunek prężności pary wodnej zawartej w spalinach do prężności tej pary w stanie nasycenia wilgocią. Zależność skuteczności odsiarczania od wilgotności względnej spalin, uzyskana dla średniego stosunku Ca/S ok. 1.8, stężeń wlotowych SO 2 z zakresu g/m 3 i prędkości filtracji ok m/s, przedstawia rys. 3. Otrzymane równanie regresji wykazuje wysoką zgodność z danymi pomiarowymi. Wartość bezwzględna współczynnika korelacji wynosi 0.99 a błąd względny aproksymacji wyników badań zaproponowanym równaniem nie przekracza ± 10 % z prawdopodobieństwem 95 %. 5

6 Skuteczność, % Wilgotność względna, % Rys. Błąd! Nieznany argument przełącznika.. Skuteczność usuwania SO 2 w funkcji wilgotności względnej spalin Wilgotność względna spalin ϕ silnie wpływa na skuteczność odsiarczania dla ϕ < 70 %. Zwiększenie wilgotności od 20 % do 60 % powoduje ponad dwukrotny wzrost skuteczności. W trakcie badań zależności η = f(ca/s) zaobserwowano, że w miarę wzrostu wilgotności względnej spalin, zależność skuteczności odsiarczania od stosunku Ca/S była coraz słabsza. Przykładowo, dla ϕ 70 % wzrost Ca/S od 1 do 2.6 powodował wzrost skuteczności o ok. 15 % a dla ϕ 90 % zmiana Ca/S z 0.6 na 1.7 skutkowała wzrostem skuteczności o ok. 3 % (czyli w zakresie błędu pomiarowego, który wynosił ±4.3 %). Równoczesny wpływ wilgotności względnej spalin ϕ i stosunku Ca/S na skuteczność odsiarczania ujmuje proponowany przez autorów współczynnik K, będący bezwymiarowym iloczynem tych dwóch wartości: K ϕ = 100 Ca S. Jak widać na wykresie (rys. 4) skuteczność rośnie wraz ze wzrostem współczynnika K do wartości K = 1, którą przyjąć można umownie za wartość progową, powyżej której prowadzenie procesu jest nieekonomiczne. Przedstawiona poniżej zależność η = f (K) pozwala zatem - przy znanej wilgotności względnej spalin i stężeniu SO 2 - na określenie ekonomicznie uzasadnionej dozy wapna hydratyzowanego dla założonej skuteczności odsiarczania. η = K K K

7 Błąd względny aproksymacji wyników eksperymentu zaproponowanym równaniem nie przekracza 14 % z prawdopodobieństwem 95 %. Skuteczność, % ,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 K Rys. Błąd! Nieznany argument przełącznika.. Skuteczność usuwania SO 2 w funkcji współczynnika K PODSUMOWANIE Wyniki badań modelowej instalacji, uzyskane w warunkach długotrwałego, poligonowego eksperymentu, wykazały, że filtroreaktor z tkaninową przegrodą filtracyjną, na powierzchni której tworzy się placek filtracyjny z popiołu lotnego, po jego uaktywnieniu wapnem hydratyzowanym i po skondycjonowaniu spalin, może stanowić urządzenie służące w skali przemysłowej do równoczesnego, wysokoskutecznego odpylania i odsiarczania gazów. Wykazano, że decydujące znaczenie dla efektywności odsiarczania wg analizowanej metody ma wilgotność względna spalin. Aby uzyskać skuteczność odsiarczania powyżej 80 %, przy stosunku Ca/S z zakresu 1 1.5, należy tak skondycjonować spaliny przed filtroreaktorem, aby ich wilgotność względna była wyższa od 70 %. Proces przebiega najintensywniej, gdy na placku filtracyjnym panuje temperatura od 5 do 8 K wyższa od temperatury punktu rosy spalin (przy zastosowanym sposobie wygrzewania komory filtroreaktora nie zanotowano w tych warunkach problemów z regeneracją tkaniny filtracyjnej). Chcąc uzyskać wyższą skuteczność odsiarczania, korzystniej jest zwiększać wilgotność względną spalin niż nadmiar sorbentu. Wykonana przez autorów analiza kosztów metody (na bazie instalacji dla kotła WR-10) wykazała, że aby usunąć 1 kg SO 2 ze spalin trzeba zużyć ok. 3.9 kwh energii elektrycznej a pełen koszt eksploatacyjny równoczesnego odpylania i odsiarczania spalin dla ww. instalacji 7

8 w warunkach polskich wynosi ok. 940 zł (tj. ok. 500 DEM) w przeliczeniu na tonę usuniętego SO 2 (przy założeniu skuteczności odsiarczania na poziomie 85 %). Badana metoda, dzięki swym licznym zaletom (w tym głównie umiarkowanym kosztom, małemu zapotrzebowaniu terenu oraz suchej postaci substratów i produktów), stanowi atrakcyjną opcję rozwiązania problemu redukcji emisji SO 2 dla tysięcy istniejących w Polsce kotłowni węglowych, które stanęły przed koniecznością ograniczenia emisji SO 2, wynikającego z rozporządzenia MOŚ,ZNiL z dnia r. Jej atrakcyjność dodatkowo podnosi fakt, że stwarza ona możliwość równoczesnego usuwania SO 2 i NO x w jednym urządzeniu [16]. LITERATURA 1. Informacje i opracowania statystyczne GUS - Ochrona Środowiska 1996, W-wa, Kabsch P., Meloch H., Kaczmarski L., Kondensorpcja - nowy proces oczyszczania gazów, Arch. Ochr. Środ., nr 1, 1991, s Offen G.R., McElroy M.W., Muzio L.J., Assessment of Dry Sorbent Emission Control Technologies, Part II, Applications, JAPCA, 37, 968, Ermich S., Odsiarczanie spalin metodą suszenia rozpyłowego, Gaz, Woda i Technika Sanitarna nr 3, 1984, s Laudyn D., Odsiarczanie i odazotowanie spalin w austriackiej elektrowni Dürnrohr, Energetyka nr 4, 1992, s Durych A., Laszuk A., Wiechowski A., Odsiarczanie gazów spalinowych metodą półsuchą, Ochrona Powietrza nr 5, 1987, s Durych A., Laszuk A., Winiarz J., Recyrkulacja produktu poreakcyjnego przy odsiarczaniu gazów metodą półsuchą, Ochrona Powietrza i Problemy Odpadów nr 4, 1994, s Gostomczyk M.A., Sieczkowski J., Żurek G., Suche metody ograniczenia emisji SO 2, Materiały Ośrodka Doradztwa i Treningu Kierowniczego w Gdańsku p.t. Ograniczenie emisji zanieczyszczeń z kotłów pyłowych, Sopot, 1996, s Meloch H., Kabsch P., Rosicki M., Nowa metoda jednoczesnego wysokoskutecznego odpylania i quasi-suchego odsiarczania spalin, Materiały II Sympozjum Ograniczenie Emisji Zanieczyszczeń do Atmosfery POL-EMIS 94, Szklarska Poręba 1994, s Meloch H., Kabsch P., Sposób oczyszczania gazów odlotowych z pyłów i zanieczyszczeń gazowych - zgłoszenie patentowe nr P , Materiały firmy FLÄKT - Ochrona Powietrza nr 2, 1988, s Meloch H., Kabsch P., Robaszkiewicz J., Knop F., Podstawy technologii równoczesnego odpylania i odsiarczania spalin ze spalania węgla w kotłach rusztowych, Raport Inst. Inż. Ochr. Środ. PWr, SPR nr 50/ Meloch H. z zespołem, Jednoczesne odpylanie i odsiarczanie spalin metodą suchej sorpcji w placku filtracyjnym. Etap I, Raport Inst. Inż. Ochr. Środ. PWr, SPR nr 35/ Cybulska H., Gaj K., Knop F., Mech J., Robaszkiewicz J., Jednoczesne odpylanie i odsiarczanie spalin metodą suchej sorpcji w placku filtracyjnym. Etap II, Raport Inst. Inż. Ochr. Środ. PWr, SPR nr 48/95. 8

9 15.Knop F., Gaj K., Cybulska H., Mech J., Robaszkiewicz J., Jednoczesne odpylanie i odsiarczanie spalin metodą suchej sorpcji w placku filtracyjnym, Etap III, Raport Inst. Inż. Ochr. Środ. PWr, SPR nr 57/ Chu P., Rochelle G.T., Removal of SO 2 and NO x from stack gas by reaction with calcium hydroxide solids, JAPCA 39, 1989,