NOWOCZESNE SYSTEMY OGRANICZANIA EMISJI PYŁU W INSTALACJACH SPALANIA MAŁEJ MOCY

Transkrypt

1 Politechnika Śląska Katedra Aparatury Chemicznej i Procesowej NOWOCZESNE SYSTEMY OGRANICZANIA EMISJI PYŁU W INSTALACJACH SPALANIA MAŁEJ MOCY Dr inŝ. Robert Kubica

2 Emisja pyłu Plan wystąpienia Skala i źródła zagrożeń, Instalacje Spalania Małej Mocy Definicje, negatywne oddziaływanie pyłu Charakterystyka zanieczyszczenia z uwzględnieniem pochodzenia, paliwa stałe (węgiel, biomasa) Możliwości ograniczenia emisji Metody pierwotne (paliwo, sprawność energetyczna) Metody wtórne, w tym techniki o istotnym potencjale w przypadku instalacji spalania małej mocy Odniesienie do wprowadzanych norm produktowych i propozycji LRTAP

3 Emisja pyłu Źródła antropogeniczne: termochemiczna konwersja paliw, Ponad 75% emisji NOx i SO 2, około 70% emisji CO, ponad 75% emisji pyłów i ponad 90% CO 2 wydobycie i transport surowców, procesy przemysłu chemicznego, rafineryjnego, metalurgicznego, cementowego, składowiska surowców i odpadów, transport.

4 PM10, Mg/a % Nowoczesne układy odpylania dla instalacji spalania małej mocy Emisja pyłu LCP Pozostałe SCI Rys.1. gaz płynne węgiel biomasa Przemysłowe SCI Rozpoznany, znaczący udziałinstalacji spalania małej mocy w emisji całkowitej Zaostrzenie wymagańdotyczących jakości powietrza, objęcie limitami emisji instalacji spalania małej mocy Szczególne znaczenie paliw stałych Rys SO2 NO x PM10 Rys.2. Źródło: Raportu-Krajowa inwentaryzacja emisji SO2, NOx, CO, NH3, NMLZO, pyłów, metali cięŝkich, TZO, za lata w układzie klasyfikacji SNAP i NFR, Raport KOBIZE, Warszawa luty, 2011 Pye S., Jones G., Stewart R., Woodfield M., Kubica K., Kubica R., Pacyna J.; Costs and environmental effectiveness of options for reducing mercury emissions.. ; AEAT/ED48706/Final report v2, January 2006

5 Definicje, charakterystyka zanieczyszczenia Pył o rozdrobnieniu koloidalnym Pyły dyspersyjne i kondensacyjne Pył wymiary ziaren ,001 µm Grube ziarna 1 0,2 µm Bardzo drobne ziarna 0,02 0,002 µm Subkoloidalne ziarna 0,002 0,001 µm Drobne ziarna 0,2 0,02 µm Grube ziarna µm Pyły o rozdrobnieniu makroskopowym. Średnie ziarna µm Rys.4. Drobne ziarna 60 5 µm Bardzo drobne ziarna 5 1 µm

6 Pyły PM2.5 Pyły PM10 Pochodzenie Prekursory gazowe DuŜe cząstki stałe/ krople Mechanizm powstawania Reakcja chemiczna; enukleacja; kondensacja, koagulacja; odparowania mgieł chmur kropel w których gazy zostały rozpuszczone i przereagowały Skład Siarczany (SO 4 2- ); Azotany (NO 3 - );Jony (NH 4 + ), (H + ); węgiel elementarny; związki organiczne (np. WWA);metale (Pb, Cd, V, Ni, Cu, Zn, Mn, Fe); woda zaasocjowana na cząstkach Rozpuszczalność PrzewaŜnie rozpuszczalne, higroskopijne Źródła Nowoczesne układy odpylania dla instalacji spalania małej mocy... Definicje, charakterystyka zanieczyszczenia Spalanie węgla, oleju, benzyny, oleju napędowego, drewna, produkty przemian atmosferycznych NOx, SO 2 oraz związków organicznych; procesy wysokotemperaturowe, piece, huty, itp. Czas zawisania Dni do tygodni Minuty do godzin Mechaniczna rozdrobnienie (np. kruszenie, mielenie, ścieranie powierzchni); odparowanie aerozolu, reemisja pyłu osadzonego. Pył pochodzący z reemisji (np. z gleby lub dróg); popiół lotny ze spalania węgla lub oleju; Tlenki metali (Si, Al, Ti, Fe); CaCO3, NaCl, sól morska; zarodniki pleśni i grzybów; Drobiny pochodzenia roślinnego lub zwierzęcego roślin; zuŝyta guma z opon PrzewaŜnie nierozpuszczalne i niehigroskopijne Reemisja pyłu pochodzenia przemysłowego oraz gleby naniesionej na drogi; emisja z gleby (np. uprawy rolne, kopalnie odkrywkowe, nieutwardzone drogi); źródła biologiczne; budowy i rozbiórki; spalanie węgla i oleju; aerozol oceaniczny Zdolność do migracji Setki do tysięcy kilometrów <1 do dziesiątek kilometrów

7 Definicje, charakterystyka zanieczyszczenia Rys.5. Źródło: 1 H. Hartmann, P. Turowski, New developments in small scale ESP technology,technology- and Support Centre (TFZ), Straubing, Germany(

8 Metody ograniczenia emisji Metody pierwotne: zwiększenie sprawności urządzeń uzdatnianie paliwa usuwanie zanieczyszczeńz paliwa przed spalaniem, stosowanie stałych paliw niskoemisyjnych, paliw gazowych, ciekłych. technologie czystego spalania modyfikacja komór spalania, palników, wprowadzanie dodatków do spalanego paliwa, (zgazowanie, odgazowanie, upłynnianie, itp.) Metody wtórne: oczyszczanie spalin urządzenia odpylające; filtry, odpylacze odśrodkowe, inercyjne, elektrofiltry, skrubery itp.

9 Metody ograniczenia emisji Mechanizmy separacji: grawitacyjne opadanie ziaren pyłu, bezwładność(inercja) ziaren pyłu, działanie siły odśrodkowej, filtracja, jonizacja gazu i pyłu oraz elektrostatyczne przyciąganie róŝnoimiennie naładowanych ciał. Warunki realizacji procesu: Odpylanie suche Odpylanie mokre

10 Metody ograniczenia emisji Rys.7. RóŜne typy komór osadczych. a)1-dopływ gazu zapylonego, 2-wylot gazu odpylonego, 3-komora osadcza; b)1-dopływ gazu, 2-odpływ gazu, 3-przegrody, 4-komory osadcze

11 Metody ograniczenia emisji Rys.8. Wirująca przegroda Rys.9. Oczyszczony gaz Zapylony gaz Wyseparowany pył Oczyszczony gaz Ciecz zraszająca Zapylony gaz Wyseparowany pył Rys.10. Oczyszczony gaz Zapylony gaz Zawiesina pyłu w cieczy zraszającej Ciecz zraszająca

12 Metody ograniczenia emisji Rys.12. Rys kanał wlotowy zapylonego gazu, 2. króciec wlotowy gazu0 zapylonego z przepustnicą, 3. płyta dystrybucji gazu na wlocie do komory gazu zapylonego, 4. elementy filtracyjne (worek), 5. przegroda sitowa oddzielająca komoręgazu zapylonego od komory gazu czystego, 6. komora gazu czystego z rurami przedmuchowymi, 7. pokrywa wewnętrzna w komorze gazu czystego, 8. pokrywa zewnętrzna izolowana w komorze gazu czystego, 9. kanałwylotowy gazu czystego, 10. przepustnica talerzowa, 11. zbiornik spręŝonego powietrza z zaworami przedmuchowymi, 12. konstrukcja wsporcza, 13. sterownik filtra, 14. lej zsypowy, 15. komora gazu zapylonego, 16. izolacja termiczna, 17. obijak pneumatyczny, 18. instalacja ogrzewania elektrycznego, 19. czujnik poziomu pyłu, 20. zasuwa płaska. Schemat filtra ziarnistego Rys.13.

13 Metody ograniczenia emisji Rys układ zasilania elektrod ulotowych; 2- elektrody ulotowe; 3- elektrody zbiorcze; 4- komora elektrofiltru; 5- leje zbiorcze - odbiór wydzielonego pyłu; 6- wylot gazu oczyszczonego; 7- wlot gazu zapylonego; 8- ścieŝka (przestrzeń międzyelektrodowa)

14 Metody ograniczenia emisji η i [%] Cyklon niskosprawny 2 - Cyklon wysokosprawny 3 - Multicyklon 4 - Skruber Venturiego ( p = 2,5 kpa) 5 - Skruber Venturiego ( p = 25,0 kpa) 6 - Filtr tkaninowy 7 - Elektrofiltr (gor cy) d p [µm] Rys.15.

15 Metody ograniczenia emisji Kryteria oceny urządzeń odpylajacych Sprawność Koszty Ogólna Frakcyjna Eksploatacyjne Inwestycyjne Średnica graniczna, d cut Energochłonność Zużycie mediów Rys.16.

16 Metody ograniczenia emisji Tab.1. Parametry urządzeń odpylających Urządzenie Średnica graniczna StęŜenie pyłu wlot do odpylacza StęŜenie pyłu wylot z odpylacza Opory przepływu ZuŜycie energii, jednostk. Koszt inwestyc. wydajność ok Nm 3 /h Koszt inwestyc. wydajność ok Nm 3 /h µm mg/nm 3 mg/nm 3 Pa W/Nm 3 PLN/Nm 3 PLN/Nm 3 Elektrofiltr 0, ,89 50 Filtr tkaninowy 0, ,33 45 Multicyklon Bateria cyklonów

17 Metody ograniczenia emisji pyłu, instalacje spalania małej mocy Rozwiązania wytypowane dla zastosowania w instalacjach spalania paliw stałych małej mocy: Węgiel: Biomasa: odpylanie w polu sił odśrodkowych filtracja odpylanie w polu sił odśrodkowych? filtracja? odpylanie w polu sił elektrostatycznych odpylanie w polu sił elektrostatycznych

18 Metody ograniczenia emisji, elektrofiltry Rys.18. Rys.17. Źródło: H. Hartmann, P. Turowski, New developments in small scale ESP technology,technology- and Support Centre (TFZ), Straubing, Germany(

19 Metody ograniczenia emisji, elektrofiltry Rys.19. Źródło: H. Hartmann, P. Turowski, New developments in small scale ESP technology,technology- and Support Centre (TFZ), Straubing, Germany(

20 Metody ograniczenia emisji, prototypowy odp. odśrodkowy Rys.22. Rys.21. Koncentrator z Ŝaluzjami

21 Metody ograniczenia emisji, prototypowy odp. odśrodkowy 1,4 mln elementów Q EAS θmax θeq = max 180 θeq θ, eq θ 95,5% elementów o wysokiej jakości (0<Q EAS <0,5) θ eq min Rys.23. Modele geometryczne

22 Metody ograniczenia emisji, prototypowy odp. odśrodkowy Rys.25. Profil prędkości średniej Rys.24. Trajektorie cząstek

23 Metody ograniczenia emisji, prototypowy odp. odśrodkowy Sprawność frakcyjna ηi 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 w = 10 m/s w = 15 m/s ZałoŜenia W in = 15 m/s, c in = ~100 mg/m 3 R 1 = 30 mm, R 2 = 42 mm, ρ m =1200 kg/m 3 Wyniki modele własne: D gr = ~ 1 µm, P = 750 Pa Wyniki CFD: D gr = ~ 5 µm, P = 420 Pa 0,1 0 0, Średnica czastki, d i [µm] Rys.26. Model K-ε RNG

24 Metody ograniczenia emisji, badania 5 I-1 I-2 I I-4 7 Rys I Sprawność ogólna η ~ 50% StęŜenie pyłu ~ 50 mg/m 3 (w warunkach umownych)

25 Metody ograniczenia emisji, elektrofiltr

26 Metody ograniczenia emisji, badania 6 I-3 I I Rys I-2 Sprawność ogólna η ~ 60% StęŜenie pyłu ~ 40 mg/m 3 (w warunkach umownych)

27 Metody ograniczenia emisji, badania Rys.29.

28 Odniesienie do propozycji LRTAP Tab.2. Średnie wartości wskaźników emisji (WE) oraz proponowane wartości GWE wg LRTAP dla SCIs o mocy cieplnej <500 kw, jako produkt (13% zawartości O2 w spalinach) WE Średnie wartości mg/m 3 Instalacje spalania Proponowane opcje GWE (ELV) dla pyłu, mg/m 3 GWE 1 GWE 2 GWE 3 (ELV 1) 1) (ELV 2) 2) (ELV 3) 3) 70/300 Kominki (zamknięte/otwarte) (120 ze zbior.w.u.) Piece (opalane drewnem) <50kW 40 (zgazow.) 140 <50kW 110 >50kW 30 piece 50 kotły Kotły na drewno kawałkowe (zbiornik na ciepłą wodę) (with heat storage tank) Kotły węglowe (ręczne zasilanie paliwem) Kotły i piece opalane peletami drzewnymi (?) 40 (?) 110 (?) <50kW 90 >50 kw Kotły węglowe, automat. retortowe 20 (?) 60 (?) 110 (?) 60 >50kW Automatyczne instalacje spalania

29 Odniesienie do propozycji LRTAP moŝliwości techniczne ich spełnienia Najlepsze rozwiązania konstrukcyjne instalacji spalania paliw stałych o mocy do 1MW (urządzenia typu BAT), dostępne na rynku handlowo, spełniają kryteria określone dla poziomu GWE2. W przypadku węgla to kotły retortowe opalane kwalifikowanymi paliwami (o odpowiedniej gwarantowanej jakości). Spełnienie najwyŝszego kryterium wymagań GWE1 wymagać będzie zastosowania wtórnych metod ograniczania emisji odpylaczy Osiągnięcie poziomu GWE 1 moŝliwe jest z wykorzystaniem przede wszystkim filtrów tkaninowych i elektrofiltrów, przy czym ze względu na koszty oraz łatwość instalacji i uŝytkowania, te ostatnie winny być opcją preferowaną.