Nowoczesne technologie odazotowania spalin dla przemysłu i energetyki a zmieniające się regulacje środowiskowe

Transkrypt

1 Nowoczesne technologie odazotowania spalin dla przemysł i energetyki a zmieniające się reglacje środowiskowe Kiernki rozwoj instalacji odazotowania spalin mgr inż Iwona Śpiewak Dyrektor Bira Techniczno- Projektowego Zakład Instalacji Odazotowania Spalin RAFAKO SA mgr inż Hanna Kordyaczny Kierownik Dział Optymalizacji i Innowacji Technologii Zakład Instalacji Odazotowania Spalin RAFAKO SA W świetle zachodzących w ostatnich latach zmian w reglacjach środowiskowych zarówno energetyka zawodowa jak i przemysłowa staje przed wyzwaniem sprostania zaostrzającym się wymogom emisyjnym Z dniem wejścia w życie Dyrektywy w sprawie emisji przemysłowych od 1 stycznia 2016 rok ograniczeni legły emisje tlenków siarki, tlenków azot oraz pył Od moment pblikacji Dyrektywy w sektorze energetycznym podjęto szereg modernizacji mających na cel dostosowanie pracjących bloków do nowych wymagań Na tym jednak nie koniec Dokmenty referencyjne BAT (Best Available Techniqes), które wraz z obowiązywaniem Dyrektywy zyskały na znaczeni, wprowadzają dalsze obostrzenia, nie tylko w zakresie limitów emisji tlenków siarki, tlenków azot i pył, ale i innych związków, takich jak rtęć i amoniak Moc termiczna źródła - Dyrektywa IED Dyrektywa Parlament Eropejskiego i Rady 2010/75/UE z dnia 24 listopada w sprawie emisji przemysłowych (zintegrowane zapobieganie zanieczyszczeniom i ich kontrola), znana również pod nazwą IED (Indstrial Emissions Directive) została wdrożona do prawa polskiego Rozporządzeniem Ministra Środowiska z dnia 4 listopada 2014 rok w sprawie standardów emisyjnych dla niektórych rodzajów instalacji, źródeł spalania paliw oraz rządzeń spalania lb współspalania odpadów Poza zaostrzeniem dopszczalnych wielkości emisji, czego efektem ma być zmniejszenie negatywnych oddziaływań instalacji przemysłowych i energetycznych na środowisko, wprowadzenie do prawa polskiego Dyrektywy przedefiniowało obowiązjące dotychczas pojęcie źródła emisji Obecnie standardy emisyjne nie Emisja NO x [mg/m 3 Średnia miesięczna odnoszą się jż do pojedynczej jednostki energetycznej kotła, a do emitora komina i wynikają z łącznej nominalnej mocy cieplnej wpiętych do niego bloków Jest to szczególnie znamienne w przypadk obiektów, na które składają się małe i średnie jednostki o smie zainstalowanych mocy przekraczającej 50MW t Po wejści w życie Dyrektywy zostały one objęte nowymi wymaganiami, które nie miałyby zastosowania przed zmianą rozmienia pojęcia źródła emisji W Tabeli 1 zostały przedstawione obowiązjące limity emisji dla tlenków azot wraz z zakresami zależnymi od zainstalowanej mocy termicznej źródła Limity te nie stanowią jednak ostatecznych wielkości emisji, do których należy dostosować obiekty energetyczne Zgodnie z zapisami Dyrektywy dopszczalne wartości będą określane Nowa Istniejąca / 400 (a) 300 / 450 (a) > 300 brnatny > 300 kamienny Tab 1 Limity emisji dla NOx wynikające z Dyrektywy IED a) W przypadk spalania pył węgla brnatnego 8

2 Moc termiczna źródła - Graniczne emisje NO x [mg/m 3 Średnia dobowa Nowa Istniejąca (a) Nowa Istniejąca (c)(g) < FBC, brnatny < (d)(e) (f) 300 kamienny < (b) Tab 2 Limity emisji dla NOx wynikające z projekt konklzji BAT a) Wymóg nie obowiązje dla instalacji istniejących pracjących < 1500 h/r b) Dla instalacji rchomionych do obowiązją następjące górne granice zakres: 200 mg/nm 3 dla instalacji pracjących 1500h/r, oraz 220 mg/nm 3 dla instalacji pracjących <1500h/r c) W przypadk instalacji rchomionych przed które pracją <1500h/r i dla których SCR lb SNCR nie ma zastosowania górna granica zakres wynosi 340 mg/nm 3 d) Dolna granica zakres może być osiągnięta w przypadk stosowania SCR e) Górna granica zakres wynosi 175 mg/nm 3 dla kotłów flidalnych rchomionych do i kotłów opalanych węglem brnatnym f) Górna granica zakres wynosi 220 mg/nm 3 dla kotłów flidalnych rchomionych do i kotłów opalanych węglem brnatnym g) Wartości są wskaźnikowe dla instalacji pracjących < 500 h/r przez właściwy organ wydający pozwolenie na eksploatację indywidalnie dla modernizowanej jednostki Postępowanie to będzie względniało najlepsze dostępne techniki i wynikające z nich osiągalne poziomy emisji, określone w decyzjach w sprawie konklzji dotyczących BAT Konklzje BAT Finalna wersja draft dokment referencyjnego BREF dla Dżych Obiektów Energetycznego Spalania (LCP Large Combstion Plants), zawierająca projekt konklzji BAT została opblikowana w czerwc 2016 rok Przewidje on dalsze ograniczenie emisji związków szkodliwych pochodzących z proces spalania w daleko szerszym zakresie niż te bezpośrednio przywołane w Dyrektywie IED Po przyjęci przez Unię Eropejską nowych reglacji i czteroletnim okresie przejściowym, od 2021 rok dopszczalne emisje tlenków azot będą kształtować się znacząco poniżej poziom wyznaczonego przez Dyrektywę Tabela 2 obrazje limity dla tlenków azot wynikające z projekt konklzji BAT Graniczne wartości wyznaczają zakres dopszczalnych emisji w oparci o najlepsze dostępne techniki, opisane w dokmencie referencyjnym BREF Górne wielkości będą stanowiły nieprzekraczalne limity emisji, jednakże właściwy organ wydający pozwolenie może każdorazowo wprowadzić bardziej restrykcyjne warnki Wraz z wejściem w życie dokment referencyjnego BREF reglacje obejmą również dodatkowe związki, w tym takie, których obecność w spalinach wynika z zastosowania najlepszych dostępnych Bloki energetyczne Wyposażone w SCR lb SNCR technik Takim związkiem jest amoniak, będący reagentem w instalacjach odazotowania spalin opartych o wtórne metody niekatalitycznej i katalitycznej redkcji tlenków azot Nowe limity zawarte w dokmencie referencyjnym BREF dla Dżych Obiektów Energetycznego Spalania zostały przedstawione w Tabeli 3 Konklzje BAT pociągną za sobą konieczność dalszych modernizacji obiektów energetycznych Dostosowanie do zaostrzonych przepisów prawa środowiskowego obejmie jednostki, dla których obowiązjące limity nie wymagały dodatkowych instalacji oczyszczania spalin, jak również i te, które zainwestowały jż w rozbdowę swoich kładów Graniczne emisje NH 3 [mg/m 3 < 3 10 (a) Tab 3 Limity emisji dla NH 3 wynikające z projekt konklzji BAT a) Dolna granica zakres może być osiągana w przypadk stosowanie SCR Górna granica zakres obowiązje w przypadk stosowania SNCR bez życia mokrych technik oczyszczania 9

3 Najlepsze dostępne techniki odazotowania spalin Dokment referencyjny BREF dla Dżych Obiektów Energetycznego Spalania jako najlepsze dostępne techniki wtórnych metod odazotowania spalin wymienia selektywną katalityczną redkcję (SCR), selektywną niekatalityczną redkcję (SNCR) oraz kombinację powyższych (tzw metoda hybrydowa) Wszystkie te technologie działają w oparci o wtrysk do spalin reagenta i reakcję tlenków azot z amoniakiem lb mocznikiem Stąd też ich zastosowanie przekłada się nie tylko na redkcję NO x w spalinach, ale także emisję reagenta NH 3, a w przypadk stosowania mocznika, również CO 2 Selektywna niekatalityczna redkcja tlenków azot (SNCR) Selektywna niekatalityczna redkcja tlenków azot SNCR (Selective Non- -Catalytic Redction) opiera się o wysokotemperatrową reakcję gazowego amoniak lb mocznika z tlenkami azot bez dział katalizatora Podstawowe reakcje przedstawiono poniżej Dla amoniak: NO + NO 2 + 2NH 3 2N 2 + 3H 2 O (1) 4NO + 4NH 3 + O 2 O (2) + 8NH 3 7N H 2 O (3) Dla mocznika: 4NO + 2(NH 2 CO + 2 H 2 O + O 2 O + 2CO 2 (4) + 4(NH 2 CO + 4H 2 O 7N H 2 O + 4CO 2 (5) Przyjmowana proporcja reagenta do tlenków azot zależy od stopnia redkcji oraz założeń procesowych i dla większości instalacji kształtje się na poziomie od 1 do 2,5 Tab 4 Limity emisji dla instalacji SNCR wynikające z projekt konklzji BAT a) Górna granica zakres wynosi 175 mg/nm3 dla kotłów fl idalnych rchomionych do i kotłów opalanych węglem brnatnym Optymalne okno temperatrowe zawiera się pomiędzy 800 C i 1100 C, przy czym jest ono silnie zależne od żytego reagenta Dla amoniak zakres temperatr kształtje się na poziomie C, dla mocznika C Proces redkcji warnkowany jest temperatrą, właściwą dystrybcją reagenta w spalinach oraz czasem przebywania cząsteczek w strefi e reakcji Zbyt dże cząsteczki odparowją za wolno, co przekłada się na wzrost nieprzereagowanej ilości reagenta (slip), zbyt małe odparowją za szybko, reagjąc w temperatrach przekraczających optymalne i tym samym zmniejszając stopień redkcji NO x Reakcje zachodzące w zbyt wysokich temperatrach sktkją niepożądaną prodkcją NO x poprzez tlenianie amoniak, a w zbyt niskich zwiększaniem slip Osiągnięcie odpowiednich dla proces warnków jest podstawową i najważniejszą kwestią w zapewnieni efektywności proces SNCR Nierzadko trzymanie właściwego okna temperatrowego i wymaganej strefy reakcji wiąże się z modernizacją kotła, polegającą na wprowadzeni lb optymalizacji zastosowanych technik pierwotnych celem: obniżenia temperatry płomienia i ograniczenia proces formowania się termicznych tlenków azot (spalanie niskoemisyjne), wyrównania i stabilizowania temperatry spalin, Moc termiczna źródła - < 100 < < FBC, brnatny < 150 (a) 300 kamienny < 150 zwiększenia efektywności proces poprzez wydłżenie czas przebywania cząsteczki reagenta w strefi e reakcji Rzeczywiste warnki, w których zachodzi proces niekatalitycznej redkcji NO x, bezpośrednio przekładają się na efekt całego proces Konklzje BAT dla technologii SNCR dla istniejących źródeł energetycznych w rozliczeni rocznym przewidją ograniczenia emisji jak w Tabeli 4 Osiągnięcie wartości emisji NO x poniżej 200 mg/m 3 przy zachowani slip poniżej 10 mg/m 3 wymaga precyzyjnego operowania w warnkach rzeczywistych możliwie zbliżonych do projektowych Inaczej możliwe będzie wystąpienie szereg niepożądanych efektów przekładających się na niedotrzymanie emisji na wymaganym poziomie Niewłaściwe temperatry wpłyną na spadek efektywności proces Zwiększenie stosnk reagenta do tlenków azot celem podniesienia efektywności pociągnie za sobą wzrost nieprzereagowanej ilości reagenta (slip) i przekroczenie limit emisji NH 3 Co więcej, zastosowanie instalacji SNCR nie pozostaje bez wpływ na dalsze systemy na drodze spalin i każde odstępstwo od właściwego przebieg proces może sktkować negatywnymi wynikami pracy pozostałych instalacji Szczególnie narażona jest instalacja mokrego odsiarczania spalin Aby tego niknąć, jż na etapie projekt należy wziąć pod wagę Graniczne emisje Graniczne emisje NH NO 3 x [mg/m 3 [mg/m 3 < 10 10

4 możliwości związane z optymalizacją niają szerokie zastosowanie instalacji w kłady ciśnieniowe podgrzewacza pracy kotła i ochroną rządzeń na całej SCR dopasowane do indywidalnych wody oraz pary Z zapyleniem spalin wią- drodze spalin warnkowań bloków energetycznych że się konieczność stosowania systemów Selektywna katalityczna redkcja tlenków azot (SCR) Instalacja SCR typ High Dst cechje się pracą w środowisk zapylonym oraz zasiarczonym, na drodze spalin bezpośrednio za kotłem i przed elektrofiltrem czyszczenia warstw katalitycznych mających na cel zapobieganie zatykani się katalizatora oraz stałego kontrolowania spadk ciśnienia na warstwach Większa Odazotowanie spalin realizowane w oparci o technologię selektywnej katalitycznej redkcji tlenków azot SCR (Selective Catalytic Redction) Z tego względ w dżym stopni ingerje w istniejące kłady kotłowe kanałów spalin oraz w zależności od parametrów eksploatacyjnych i wymagań inwestycji podziałka w elementach katalitycznych przekłada się na gabaryty oraz objętość katalizatora Siarka obecna w spalinach powodje podniesienie dopszczalnej Rys 1 Porównanie systemów SCR typ High Dst i Tail End wykorzystje reakcję tlenków azot z amoniakiem zachodzącą w obecności katalizatora (związk aktywnego) w odpowiednim oknie temperatrowym Główne reakcje chemiczne zachodzące na powierzchni warstwy katalitycznej: NO + NO 2 + 2NH 3 2N 2 + 3H 2 O (1) 4NO + 4NH 3 + O 2 O (2) + 8NH 3 7N H 2 O (3) Ilość wtryskiwanego amoniak jest zależna od wejściowego stężenia NO x, od ilości spalin oraz od wymaganego stopnia swania NO x Cały proces redkcji NO x przebiega z minimalnymi stratami w postaci nieprzereagowanego amoniak (slip NH 3 ) w temperatrach 300 C C Instalacje katalitycznej redkcji SCR występją w trzech typach, wynikających z konfigracji poszczególnych elementów na drodze spalin: High Dst, Low Dst i Tail End, przy czym w rzeczywistych warnkach dominją dwa Parametry takie jak zapylenie, zasiarczenie i temperatra spalin oraz dostępne pod zabdowę miejsce determinją wybór: High Dst pomiędzy II ciągiem spalin i obrotowym podgrzewaczem powietrza lb Tail End za instalacją odsiarczania Odmienne zalety każdego z tych systemów zapew- 11

5 temperatry wtrysk reagenta, co wynika z zapewnienia ochrony rządzeń na dalszej drodze spalin przed wytrącaniem się siarczanów NH 3 HSO 4 i (NH 4 SO 4 Jednakże dostępność źródeł wymaganych procesem mediów oraz bliski optymalnem zakres temperatr spalin znacznie praszczają węzły technologiczne wchodzące w skład instalacji Instalacja typ Tail End redkje NO x w spalinach jż odpylonych i odsiarczonych, co pozwala na zastosowanie mniejszych objętościowo i gabarytowo modłów katalitycznych Instalacja ta w najmniejszym stopni ze wszystkich dostępnych technik odazotowania ingerje w kłady kotłowe Znajdje się w znacznej odległości od kotła, co wiąże się z wydłżeniem drogi spalin i koniecznych do proces mediów oraz z koniecznością zastosowania kład podgrzew spalin Jej miejscowienie bezpośrednio przed emitorem ma również plsy: zabdowa i wpięcie do kład wymaga znacząco krótszego czas postoj niż w przypadk innych instalacji odazotowania, zastosowanie bypass możliwia swobodne przeglądy, remonty, modernizacje i rozbdowę bez konieczności odstawiania kotła, a proces odazotowania w żaden sposób Moc termiczna źródła - nie wpływa na jakość popioł, gips i ścieków W przypadk współpracy z większą ilością bloków możliwa jest eksploatacja instalacji bez względ na zmiany mocy i odstawienia pojedynczych jednostek i ich indywidalne harmonogramy pracy Na dobór typ katalizatorów: płytowe lb typ plaster miod (honeycomb) bezpośredni wpływ ma paliwo oraz skład spalin Katalizatory płytowe stosowane są przede wszystkim dla kotłów opalanych węglem brnatnym i węglem o wysokiej zawartości popioł, natomiast katalizatory typ plaster miod są wykorzystywane w instalacjach dla kotłów gazowych, olejowych oraz większości kotłów węglowych Warto wspomnieć, że tleniające właściwości wszystkich typów katalizatorów instalacji SCR wpływają na zmianę stopnia tlenienia rtęci z Hg 0 do Hg 2+, przez co znacząco przyczyniają się do wzrost skteczności swania rtęci w rządzeniach zainstalowanych na dalszej drodze spalin Dla sporej części obiektów opalanych węglem kamiennym instalacja SCR w połączeni z instalacją mokrego odsiarczania spalin wystarczy, by zapewnić spełnienie wymogów konklzji BAT w zakresie ograniczenia emisji rtęci, przedstawionych w Tabeli 5 Graniczne emisje Hg [mg/m 3 Średnia dobowa Nowa Istniejąca (b) Nowa Istniejąca < 300 kamienny (a) < 1-3 < < 300 brnatny (a) < 1-5 < kamienny < 1-2 < brnatny < 1-4 < Tab 5 Limity emisji dla Hg wynikające z projekt konklzji BAT a) Dla źródeł pracjących jako szczytowe lb awaryjne podane zakresy są traktowane jedynie wskaźnikowo (niewiążąco) b) Dolna granica zakres dotyczy instalacji wyposażone w systemy swania rtęci Hybrydowa redkcja tlenków azot (SNCR + SCR) Zarówno instalacje niekatalitycznej redkcji tlenków azot SNCR, jak i instalacje katalitycznej redkcji tlenków azot SCR z powodzeniem fnkcjonją jako samodzielne systemy odazotowania spalin Jednakże w zależności od charakterystyki modernizowanego obiekt te pierwsze nie zawsze będą w stanie sprostać nowym wymogom, natomiast koszt inwestycyjny i eksploatacyjny drgich może okazać się niekorzystny w przypadk mniejszych jednostek energetycznych, ciepłowniczych i przemysłowych Odpowiedzią na restrykcje w tym zakresie jest kład hybrydowy: SNCR połączony z zabdową warstwy modłów katalitycznych System SNCR pozwoli na wstępną redkcję tlenków azot Na warstwie katalitycznej następje dalsze ograniczenie NO x oraz pozostałego po niekatalitycznym procesie nieprzereagowanego NH 3 Umożliwia to dotrzymanie emisji na poziomie zgodnym z wymogami BAT, a w przypadk dalszych obostrzeń prawnych, poprzez optymalizację wtrysk reagenta oraz modłów katalitycznych dodatkowe zwiększenie stopnia redkcji Rysnek 2 poglądowo ilstrje kład hybrydowy system SNCR w połączeni z warstwą katalityczną Zastosowanie kład hybrydowego nie ogranicza się jedynie do obiektów, na których dopiero planje się modernizację pod kątem ograniczenia emisji NO x Również jż istniejące instalacje niekatalitycznego odazotowania spalin można rozbdować o drgi stopień redkcji NO x i NH 3 w postaci warstwy katalitycznej, by spełnić wymogi emisyjne zaostrzone 12