Piotr Knura RAFAKO S.A.

Transkrypt

1 Piotr Knura RAFAKO S.A. Półsucha metoda odsiarczania spalin z zastosowaniem reaktora pneumatycznego zintegrowanego z filtrem tkaninowym (metoda RP+FT) kierunki rozwoju technologii, potencjał i możliwości

2

3 PÓŁSUCHA METODA ODSIARCZANIA SPALIN Z ZASTOSOWANIEM REAKTORA PNEUMATYCZNEGO ZINTEGROWANEGO Z FILTREM TKANINOWYM (METODA RP+FT) KIERUNKI ROZWOJU TECHNOLOGII, POTENCJAŁ I MOŻLIWOŚCI. Piotr Knura RAFAKO S.A. Streszczenie: W pierwszej części artykułu pokrótce scharakteryzowano główne zanieczyszczenia, których emisja do atmosfery następuje wskutek energetycznego spalania paliwa. Ponadto omówiono aktualny stan prawny w Polsce oraz Unii Europejskiej odnośnie standarów emisji zanieczyszczeń w energetyce. Wskazano również technologie odsiarczania, które można wykorzystać, aby dostosować jednostki energetyczne do wymogów prawnych w zakresie emisji zanieczyszczeń do atmosfery. Druga część artykułu stanowi zwięzły opis tytułowej technologii odsiarczania (metoda RP+FT) wraz z podaniem przykładu realizacji IOS w Elektrowni Skawina. Kolejna, trzecia część publikacji, opisuje kierunki rozwoju i badań technologii RP+FT pod kątem jej zastosowania jako systemu oczyszczania gazów spalinowych z instalacji termicznego przekształcania odpadów komunalnych (ITPOK). Końcowa część artykułu stanowi przykładowa, porównawcza analiza ekonomiczno techniczna wybranych, konkurencyjnych systemów oczyszczania spalin z ITPOK ze wskazaniem najkorzystniejszego pod względem ekonomicznym. 1. WPROWADZENIE Powietrze atmosferyczne stanowi dla człowieka jeden z podstawowych czynników niezbędnych do życia. Powietrze atmosferyczne to przede wszystkim bezbarwna i bezwonna mieszanina gazów, większość stanowi azot - 78% i tlen - 1%, oprócz tego występują gazy szlachetne, głównie argon. W skład powietrza wchodzi także dwutlenek węgla (0,0%), a także para wodna. Ponadto powietrze atmosferyczne zawiera różnego typu zanieczyszczenia pochodzenia organicznego i mineralnego. Po przekroczeniu określonych norm mówi się o zanieczyszczeniu powietrza. Proces ten następuje w wyniku przedostania się do atmosfery substancji stałych, ciekłych czy gazowych w takich ilościach, które szkodliwie wpływają na zdrowie człowieka, przyrodę ożywioną, klimat, wodę i glebę. Substancje, które zanieczyszczają powietrze bardzo łatwo rozprzestrzeniają się i dlatego wpływają na całe środowisko naturalne. Jednym z poważniejszych zanieczyszczeń powietrza jest dwutlenek siarki (SO ), przedostaje się on do atmosfery w konsekwencji spalania paliw, które zawierają siarkę. Największymi źródłami tych zanieczyszczeń są elektrownie, elektrociepłownie i ciepłownie. Innymi często występującymi zanieczyszczeniami generowanymi przez sektor energetyczny są: trójtlenek siarki SO, chlorowodór HCl, tlenki azotu NO x (głównie NO i NO ), tlenek węgla CO i wszelkiego rodzaju pyły. Od niedawna jako zanieczyszczenie traktowany jest także dwutlenek węgla CO, którego instalacje energetycznego spalania paliwa emitują olbrzymie ilości. Zanieczyszczenia powietrza niekorzystnie wpływają na całe środowisko naturalne. Zanieczyszczenia atmosfery są również bardzo niebezpieczne dla człowieka, ponieważ przedostają się do organizmu podczas oddychania. Oprócz negatywnego II Ko n f e r e n c j a Wy t w ó r c ó w En e r g i i El e k t r y c z n e j Sk a w i n a 011 5

4 oddziaływania na przyrodę ożywioną zanieczyszczenia te prowadzą do korozji metali oraz materiałów budowlanych. W przeciągu ostatnich lat stopień zanieczyszczenia powietrza w Polsce uległ znacznemu zmniejszeniu. Mimo to, w porównaniu do innych krajów europejskich, wciąż produkujemy ogromną ilość zanieczyszczeń atmosferycznych. Tlenki siarki - SO x Produktem spalania związków siarki (zarówno organicznych jak i nieorganicznych) jest przede wszystkim dwutlenek siarki SO. Podczas spalania paliwa zawierającego związki siarki powstają także pewne ilości trójtlenku siarki SO. Paliwo S O SO SO 1 O SO Proces utleniania SO do SO podczas spalania zachodzi dwudrogowo: Proces termiczny temperatura powyżej 1 100ºC Proces katalityczny temperatura ºC i obecność katalizatorów (V, Ni, Fe) Podczas spalania paliw stałych (węgiel kamienny lub brunatny) około 1,5 % siarki zawartej w paliwie ulega utlenieniu do SO. Obecność SO w spalinach powoduje duże zagrożenie korozją związaną z tworzeniem się kwasu siarkowego. SO HO HSO4 Chlorowodór Związki chloru, głównie HCl, powstają przez związanie chloru zawartego w paliwie z wodorem z paliwa. Znając zawartość chloru w paliwie można obliczyć całkowitą emisję HCl z procesu spalania paliwa. Paliwa zawierają różne ilości chloru: Węgiel kamienny 0,1 0,5% (średnio ok. 0,%) Odpady komunalne 0,1,0% Biomasa - 0,0 0,8% (słoma) Oprócz HCl, podczas spalania paliw w śladowych ilościach powstają również chlorowane węglowodory. PCDD i PCDF (dioksyny i furany) powstają w procesie spalania z prekursorów takich jak chlorowane bifenyle (PCB), chlorowane benzeny, fenole i in. Jest to tzw. synteza insitu. Prekursory znajdują się w odpadach lub powstają z tworzyw sztucznych (np. PCV) i innych substancji organicznych zawierających chlor. PCDD i PCDF mogą również powstawać w prostych reakcjach z cząstek węgla, wodoru tlenu i chloru w strefie niższych temperatur jest to tzw. synteza de-novo. Stężenia dioksyn i furanów w gazach ze spalania paliw stałych są bardzo niskie, kilka rzędów niższe od stężeń innych składników szkodliwych jak SO x,no x, HCl, CO czy WWA. Zapewnienie odpowiednich warunków dopalania spalin (wysoka temperatura, zawartość tlenu i wystarczający czas reakcji) pozwalają znacznie ograniczyć ich emisję. Tlenki azotu NO x Tlenki azotu powstające podczas energetycznego spalania paliw stanowią mieszaninę tlenku (NO), dwutlenku (NO ) i niekiedy podtlenku (N O). W obecności silnych utleniaczy mogą powstawać także N O, N O 4 i N O 5. W 54 II Ko n f e r e n c j a Wy t w ó r c ó w En e r g i i El e k t r y c z n e j Sk a w i n a 011

5 spalinach z kotłów pyłowych udział tlenku azotu NO wynosi znacznie ponad 90 %. Udział NO wśród ogólnej zawartości NO x wynosi maksymalnie 10%. Rozróżnia się trzy podstawowe, wzajemnie powiązane, procesy powstawania NO x : powstawanie tlenków z azotu zawartego w paliwie (paliwowe NO x ), bezpośrednia reakcja gazowego azotu z tlenem (termiczne NO x ), przekształcenie gazowego azotu w tlenki w obecności węglowodorów zawartych w paliwie (szybkie NO x ). Regulacje prawne dotyczące standardów emisyjnych z instalacji energetycznego spalania paliw Podstawowym aktem prawnym regulującym zagadnienia ochrony powietrza przed zanieczyszczeniem w Polsce jest Ustawa z dnia z dnia 7 kwietnia 001 r. Prawo Ochrony Środowiska (Dz. U. nr 5 poz. 150 z 008 roku). Ustawa ta za naczelny kanon ochrony środowiska oraz warunków korzystania z jego zasobów przyjmuje konstytucyjną zasadę zrównoważonego rozwoju, czyli taki rozwój społecznogospodarczy, w którym następuje proces integrowania działań politycznych, gospodarczych i społecznych, z zachowaniem równowagi przyrodniczej oraz trwałości podstawowych procesów przyrodniczych, w celu zagwarantowania możliwości zaspokajania podstawowych potrzeb poszczególnych społeczności lub obywateli zarówno współczesnego pokolenia, jak i przyszłych pokoleń. W szczególności ustawa nakłada na właściciela obiektu obowiązek przeciwdziałania zanieczyszczeniom poprzez zapobieganie lub ograniczanie wprowadzania do środowiska substancji zanieczyszczających oraz eksploatację instalacji lub urządzeń w taki sposób, aby nie powodować przekroczenia standardów emisyjnych. Podstawowym aktem wykonawczym, określającym wymagania w stosunku do instalacji energetycznego spalania paliw jest wydane na podstawie art. 145 ust. 1 pkt 1 oraz art. 146 ust. i 4 ustawy z dnia 7 kwietnia 001 roku Prawo Ochrony Środowiska rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 0 grudnia 005 roku w sprawie standardów emisyjnych z instalacji (Dz. U. Nr 60, poz. 181). W rozporządzeniu tym wartości dopuszczalnych emisji przedstawione zostały w zależności od terminu oddania do użytkowania źródła oraz od wielkości nominalnej mocy cieplnej tego źródła. W polskim systemie prawnym podstawowym dokumentem, określającym szczegółowe obowiązki jednostki organizacyjnej w zakresie ochrony powietrza, jest decyzja administracyjna, zwana decyzją o dopuszczalnej emisji, w której ustalane są rodzaje i ilości substancji zanieczyszczających powietrze, dopuszczalne do wprowadzania do powietrza. Decyzja wydawana jest przez wojewodę na czas określony, na podstawie wniosku jednostki organizacyjnej i dokumentacji technicznej udowadniającej, że wnioskowana wielkość emisji nie spowoduje przekroczenia dopuszczalnych stężeń zanieczyszczeń (razem z istniejącym i przewidywanym stanem zanieczyszczenia powietrza). Układ Stowarzyszeniowy Polski ze Wspólnotami Europejskimi nakłada jednakże obowiązek dostosowania polskiego prawa do przepisów Wspólnot Europejskich. Z tego względu dyrektywy Parlamentu Europejskiego antycypują niejako przyszłe rozwiązania prawne i winny być brane pod uwagę przy projektowaniu nowych obiektów, a także przy wyborze urządzeń i technologii do ograniczania emisji zanieczyszczeń do powietrza. II Ko n f e r e n c j a Wy t w ó r c ó w En e r g i i El e k t r y c z n e j Sk a w i n a

6 mg/m n Tabela 1 - Standardy emisyjne od roku 016 wg dyrektywy EID w Moc źródła [MWt] Dwutlenek siarki Tlenki azotu Pył > Oprócz znacznego obniżenia standardów emisyjnych poszczególnych zanieczyszczeń prawo UE zasadniczo zmienia interpretację źródła emisji. W prawie polskim emitor stanowi kocioł. Po roku 016 dla polskich instalacji spalania paliw obowiązywać będą limity standardów emisyjnych określone zgodnie z zasadą, według interpretacji źródło = komin. Według dyrektywy standardy emisyjne określa się dla nominalnego obciążenia obiektu energetycznego spalania paliw, czyli sumarycznej mocy cieplnej wszystkich kotłów podłączonych do wspólnego emitora komina, bez względu na aktualny status pracy któregokolwiek kotła (np. planowany postój lub awaryjny). W celu dotrzymania standardów emisyjnych instalacje energetycznego spalania paliwa powinno wyposażać się w systemy oczyszczania gazów spalinowych, których ważnym i istotnym elementem jest instalacja odsiarczania spalin (IOS). Zbudowanie instalacji odsiarczania spalin o zwiększonych wymaganiach w stosunku do obowiązujących obecnie standardów emisyjnych dwutlenku siarki, gwarantuje dotrzymanie wymagań zarówno obowiązujących, ale przede wszystkim zabezpiecza w sposób pewny w perspektywie długoterminowej. Na rysunku 1 przedstawiono podział metod odsiarczania. Na świecie ponad 90% instalacji odsiarczania zrealizowana jest na bazie metod wapiennych korzystających z tanich i łatwo dostępnych sorbentów wapiennych. Z innych (niewapiennych) metod, największe znaczenie ma metoda przemywania spalin wodą morską. Pozostałe metody stosowane są rzadziej, czego przyczyną jest na ogół wysoki koszt eksploatacji wynikający z ceny sorbentu i trudności jego dostępu lub/i duże koszty inwestycyjne związane z koniecznością zabudowy bardzo skomplikowanych węzłów technologicznych. 56 II Ko n f e r e n c j a Wy t w ó r c ó w En e r g i i El e k t r y c z n e j Sk a w i n a 011

7 Rysunek 1 Zestawienie technologii odsiarczania spalin. OPIS INSTALACJI ODSIARCZANIA Z ZASTOSOWANIEM REAKTORA PNEUMATYCZNEGO I FILTRA TKANINOWEGO METODA RP+FT Instalacja odsiarczania spalin w oparciu o metodę półsuchego odsiarczania z zastosowaniem reaktora pneumatycznego zintegrowanego z filtrem tkaninowym (RP+FT), charakteryzuje się dużą redukcją szkodliwych związków kwaśnych SO, HCl, HF i SO z wykorzystaniem suchego sorbentu w postaci wapna hydratyzowanego Ca(OH). Wapno hydratyzowane może być dostarczane bezpośrednio od dostawcy sorbentu lub może być przygotowane z tlenku wapnia CaO poprzez proces suchogaszenia. Zalety metody RP+FT: Wysokie skuteczności usuwania kwaśnych składników spalin: Skuteczność usuwania SO 90% 95% (max 98%) Skuteczność usuwania SO powyżej 95% (max 99%) Skuteczność usuwania HCl powyżej 95% (max 99%) Skuteczność usuwania HF powyżej 90% Najbardziej efektywne wykorzystanie sorbentu spośród wszystkich wapiennych metod półsuchych. Nadmiar stechiometryczny Ca/S = 1,1 1,4. Brak konieczności stosowania specjalnie preparowanych sorbentów. Możliwość stosowania dwóch rodzajów sorbentu - Ca(OH) lub CaO (węzeł suchego gaszenia wapna). II Ko n f e r e n c j a Wy t w ó r c ó w En e r g i i El e k t r y c z n e j Sk a w i n a

8 Instalacja może być zastosowana do oczyszczania zarówno małych (np. kotły WR 5, WR 10, OR 16, WR 5, OR, WP 70), średnich (np. WP 10, OP 140, OP 0, OP 80, OP 40) jak i dużych jednostek energetycznych (np. kotły OP 650 i większe). IOS może współpracować z jednym kotłem lub oczyszczać spaliny z układów skolektorowanych. Instalacja RP+FT w odróżnieniu od metod mokrych nie generuje żadnych ścieków. Stosunkowo niskie zużycie wody procesowej Bardzo wysoki stopień redukcji pyłu. Gwarantowane stężenie pyłu za instalacją IOS 0 mg/m n s.s 6% O (na wszystkich obiektach zrealizowanych przez Rafako S.A. nie przekracza 5 mg/m n s.s 6% O ). Możliwość zabudowy instalacji zarówno na spalinach odpylonych (np. za elektrofiltrem), wstępnie odpylonych lub spalinach w ogóle nieodpylonych (szczególnie w przypadku kotłów rusztowych). Duża zmienność obciążenia spalinami pojedynczego reaktora bez konieczności recyrkulacji spalin oczyszczonych zakres obciążenia: 40% - 110% projektowego strumienia maksymalnego. Ze względu na specyfikę stosowanych rozwiązań technologicznych i rodzajów używanych mediów technologia RP+FT charakteryzuje się znacznie prostszą obsługą eksploatacyjną i konserwacyjną w stosunku do metod konkurencyjnych, przy jednoczesnym zachowaniu bardzo wysokiej dyspozycyjności. Zwarta i kompaktowa zabudowa instalacji pozwala na wkomponowanie instalacji w istniejącą infrastrukturę. Metoda RP+FT w przypadku odsiarczania małych i średnich ilości, średnio zasiarczonych spalin, charakteryzuje się korzystniejszymi wskaźnikami ekonomicznymi niż metoda MOWAP. Względem innych wapiennych półsuchych metod, metoda RP+FT zawsze wykazuje przewagę ekonomiczną. Umiarkowane zużycie energii elektrycznej mniejsze niż MOWAP, porównywalne do innych wysokosprawnych metod półsuchych. Ze względu na temperaturę prowadzenia procesu odsiarczania (15-0ºC powyżej punktu rosy) nie ma potrzeby wtórnego podgrzewu spalin oczyszczonych lub budowy tzw. mokrego komina. Nie wymaga też stosowania dodatkowych systemów antykorozyjnych (stal kwasoodporna, gumowanie itp.). W większości przypadków istnieje możliwość wprowadzenia spalin oczyszczonych do istniejącego komina. Instalacja po wprowadzeniu do układu dodatkowych środków adsorbujących (węgiel aktywny, koks aktywny, preparowane adsorbenty mineralne np. Minsorb) wykazuje wysoką zdolność usuwania dioksyn, furanów, rtęci i innych metali ciężkich. Usuwanie wcześniej wspomnianych związków jest możliwe nawet bez stosowania dodatkowych adsorbentów. Zjawisko to występuje, kiedy instalacja pracuje na spalinach zapylonych, a w popiele lotnym jest duża ilość niespalonego węgla. Technologia RP+FT może być z powodzeniem stosowana w ITPOK (spalarniach odpadów). 58 II Ko n f e r e n c j a Wy t w ó r c ó w En e r g i i El e k t r y c z n e j Sk a w i n a 011

9 Wady metody RP+FT: Duże zapotrzebowanie na sprężone powietrze znacznie większe niż w MOWAP, porównywalne z innymi metodami półsuchymi. Produkt poreakcyjny z wszystkich metod półsuchych, jest trudny do gospodarczego wykorzystania i na ogół musi być deponowany. Ze względu na efektywne wykorzystanie sorbentu technologia RP+FT generuje najmniejsze ilości produktu poreakcyjnego spośród wszystkich technologii półsuchych. Przy odsiarczaniu dużych ilości, mocno zasiarczonych spalin metoda RP+FT posiada mniej korzystny wskaźnik ekonomiczny niż metoda MOWAP. Rysunek IOS w Elektrowni Skawina Model D Struga spalin kierowana na IOS doprowadzona jest do dolnej części reaktora poprzez kanały spalin nieodsiarczonych. W reaktorze wchodzi w kontakt z sorbentem i opuszcza reaktor w górnej jego części. Z reaktora spaliny przechodzą do filtra workowego, gdzie zostaje usunięty pył. Wentylator wspomagający jest zabudowany za filtrem workowym a jego parametry są takie by skompensować stratę ciśnienia na instalacji. Dalej spaliny odprowadzane są kanałami spalin odsiarczonych do komina. W technologii półsuchego odsiarczania spalin z zastosowaniem reaktora pneumatycznego jako sorbent stosuje się wapno hydratyzowane Ca(OH), które magazynuje się w zbiorniku (silosie) sorbentu. Wapno hydratyzowane pochodzić może bezpośrednio z dostawy lub też może być przygotowywane na miejscu z wykorzystaniem linii suchego gaszenia wapna palonego CaO. Dostawa sorbentu Ca(OH) lub CaO odbywać się może zarówno transportem samochodowym jak i kolejowym. Rozładunek sorbentu następuje pneumatycznie za pomocą sprężonego powietrza. Zbiorniki sorbentu są wyposażone we wszystkie niezbędne urządzenia, zapewniające właściwe i bezpieczne zasilanie w sorbent reaktora zgodnie z wymaganiami obiektu i technologii. Ilość dozowanego sorbentu jest sterowana w II Ko n f e r e n c j a Wy t w ó r c ó w En e r g i i El e k t r y c z n e j Sk a w i n a

10 zależności od zawartości SO w spalinach surowych i czystych oraz od natężenia przepływu spalin. Spaliny wprowadzane są do dolnej części reaktora i płynąc w kierunku króćca wylotowego, turbulentnie mieszają się z wodorotlenkiem wapnia Ca(OH) i recyrkulowanym produktem poprocesowym tworzącym złoże fluidalne. W złożu fluidalnym następuje absorpcja SO i innych kwaśnych składników spalin. Część cząstek stałych opuszcza reaktor wraz ze spalinami i przepływa do filtra workowego. Po odpowiednim czasie przebywania na workach filtra, produkty poreakcyjne transportowane są do lejów pyłu pod filtrem, a następnie do układu recyrkulacji produktu. Układ recyrkulacji produktu wyposażony jest w system transportujący, który większą część produktu zawraca do obiegu (do reaktora). Nadmiar produktu jest odprowadzany do zbiornika pośredniego, a stąd do zbiornika retencyjnego PPR-u (skrót produktu poreakcyjnego). Proces usuwania kwaśnych składników spalin zachodzi zgodnie z następującymi reakcjami: Ca( OH) Ca( OH) Ca( OH) Ca( OH) CaSO 1/ H O 1/ O CaSO 1/ H O Ca( OH) Ca( OH) HCl CaCl H O SO CaSO 1/ H O 1/ H O SO CaSO 1/ H O 1/ H O H O SO 1/ O CaSO H O HF CaF H O CO CaCO H O Klasyfikując powyższe reakcje według szybkości i intensywności procesów neutralizacji kwaśnych składników spalin można zapisać: SO > HF > HCl > SO > CO W wyniku tych reakcji uzyskuje się stały produkt reakcji, zawierający mieszaninę popiołu, siarczynu, siarczanu, chlorku, fluorku i węglanu wapnia z nieprzereagowanym wodorotlenkiem wapnia oraz innymi zanieczyszczeniami usuniętymi ze spalin. Kształt reaktora zapewnia oczyszczanie gazów spalinowych z zanieczyszczeń gazowych, gdzie reakcję absorpcji prowadzi się w wytworzonym w reaktorze wirze wewnętrznej cyrkulacji gazu. W wyniku różnicy ciśnień panujących na dole i u góry reaktora, spowodowanej spadkiem prędkości gazu wywołanej wzrostem średnicy reaktora w miarę przepływu strugi gazu do góry, cześć strugi przepływających gazów odgina się od środka i do dołu, a następnie do ściany i góry reaktora, tworząc wewnętrzną cyrkulację o kształcie zbliżonym do torusa wokół wyimaginowanego poziomego okręgu. Do tak wytworzonego wiru wewnętrznej cyrkulacji gazu, doprowadza się i rozprasza czynniki absorpcyjne, cześć produktu poprocesowego z odpylacza i wodę, przez co w reaktorze tworzy się strefa cyrkulacji o zwiększonej koncentracji aerozolu. Oczyszczany gaz wprowadza się od dołu do reaktora z prędkością w granicach m/s, kierując jego strumień równolegle do jego ściany lub pod ostrym kątem do niej. W wyniku wzrostu średnicy reaktora, w miarę przepływu gazu do góry, prędkość strumienia gazu zmniejsza się do wielkości zawartej w granicach 1 5 m/s. 60 II Ko n f e r e n c j a Wy t w ó r c ó w En e r g i i El e k t r y c z n e j Sk a w i n a 011

11 Spaliny będące w reaktorze, kondycjonowane są drobno rozpyloną wodą, przy pomocy specjalnej dyszy tworzącej krople o wielkości kilkuset µm, które są absorbowane i/lub kondensowane na powierzchni fluidyzujących cząstek stałych. Cząstki te stanowią mieszaninę świeżego sorbentu i recyrkulowanego produktu poreakcyjnego. Dzięki gwałtownemu odparowaniu wody, temperatura spalin w reaktorze szybko zostaje obniżona do wymaganej temperatury procesu to jest 90 0 C C. Do zajścia reakcji pomiędzy SO a Ca(OH) konieczne jest zaadsorbowanie na powierzchni cząstki sorbentu pary wodnej; cząsteczki pary układają się w postaci tzw. monowarstw tworząc swego rodzaju interfejs dla dwutlenku siarki. Dwutlenek siarki słabo reaguje z sorbentem jeżeli liczba mono warstw pary wodnej zaadsorbowanej na jego powierzchni jest mniejsza niż 1. Szybkość reakcji wzrasta z liczbą mono warstw zaadsorbowanej pary wodnej. Tlen i dwutlenek węgla nie wywierają istotnego wpływu na szybkość reakcji z wapnem. Mechanizm reakcji, przewiduje powstanie na powierzchni cząstki wapna kompleksu SO - woda. Do tego celu potrzebna jest odpowiednia ilość zaadsorbowanych warstw pary wodnej, co pozwala na powstanie symetrycznej konfiguracji ligandów H O wokół cząsteczki SO. Przy ilości monowarstw powyżej średniej wartości - cząsteczka SO może tworzyć kompleks z wodą na zasadzie podobnej jak w przypadku rozpuszczania dwutlenku siarki w ciekłej wodzie. Kompleks taki następnie reaguje z sorbentem. Część cząsteczek siarczanu (IV) ulega utlenieniu do siarczanu (VI) poprzez reakcję z tlenem obecnym w gazie, przy czym utlenianie zajdzie jedynie wtedy, gdy tlen jest obecny w trakcie tworzenia się siarczanu (IV). Jeżeli siarczan (IV) powstanie przy nieobecności tlenu, to nie ulegnie utlenieniu podczas późniejszego kontaktu z cząsteczkami tlenu. Stwierdzono, że utlenianie siarczynu wapnia nie ma wpływu na szybkość reakcji. Przebieg reakcji odsiarczania: H O H OH SO H O H HSO Ca( OH) CaH Ca H Ca SO SO CaH OH HSO OH 1/ H O CaSO 1/ H O CaSO 1/ O / H O CaSO H O Na wykresie 1 pokazana jest zależność szybkości reakcji SO z Ca(OH) w zależności od stopnia zwilżenia złoża fluidalnego w reaktorze. Stopień zwilżania złoża jest funkcją ilości wody podanej do reaktora. Widzimy, że szybkość reakcji gwałtownie wzrasta wraz ze wzrostem stopnia zwilżenia złoża fluidalnego. Trzeba jednak zauważyć, że wzrost szybkości reakcji ulega nagłemu spowolnieniu po przekroczeniu stopnia zwilżenia na poziomie 0,8 kg HO /m. Dalsze schładzanie spalin, a co za tym idzie zwiększanie stopnia zwilżenia nie przynosi wymiernych korzyści. 4 II Ko n f e r e n c j a Wy t w ó r c ó w En e r g i i El e k t r y c z n e j Sk a w i n a

12 Zależność szybkości reakcji SO z Ca(OH) od stopnia zwilżwenia produktu poreakcyjnego,5 Szybkość reakcji [mol/l*s]*10 4,5 1,5 1 0, ,1 0, 0, 0,4 0,5 0,6 Stopień zwilżenia produktu [kg HO /m PPR] Wykres 1 Zależność szybkości reakcji SO i Ca(OH) od stopnia zwilżenia produktu poreakcyjnego Rysunek Zasada działania metody RP+FT Drugi etap oczyszczania spalin zachodzi w filtrze workowym służącym do dokładnego oczyszczania spalin z pyłów jak również z kwaśnych składników 6 II Ko n f e r e n c j a Wy t w ó r c ó w En e r g i i El e k t r y c z n e j Sk a w i n a 011

13 spalin. W filtrze zachodzą także reakcje chemiczne, takie same jakie opisano powyżej. Filtr workowy zbudowany jest z kilku indywidualnych komór (ich ilość zależy od wielkości strumienia spalin). Oczyszczane spaliny wprowadzane są poprzez kanał spalin o zmiennym przekroju, zmniejszający się wraz z jego długością dla zapewnienia optymalnego rozdziału strugi spalin wewnątrz filtra oraz przepływu laminarnego spalin wewnątrz filtra. Dalej zanieczyszczone spaliny są rozprowadzane króćcami i kanałami do poszczególnych komór. Nad kanałem spalin zanieczyszczonych umieszczony jest kanał gazu oczyszczonego z zaworami talerzowymi odcinającymi poszczególne komory. Przedział komory spalin zanieczyszczonych oddzielony jest od przedziału spalin oczyszczonych za pomocą płyty sitowej, na której zawieszone są worki filtracyjne i kosze wsporcze (stabilizujące pionowe położenie worków). Spaliny zanieczyszczone przepływając przez tkaninę filtracyjną worków, pozostawiają cząsteczki pyłu na jej zewnętrznej warstwie. Gdy warstwa nagromadzonego pyłu (tzw. placek filtracyjny) powiększy różnicę ciśnień pomiędzy wlotem a wylotem filtra ponad wartość nominalną, system sterowania uruchomia proces oczyszczania (regeneracji worków). Pył zsypuje się do, umieszczonych pod każdą komorą stożkowych lejów. Pojedyncza komora może zostać wyłączona z pracy poprzez zamknięcie klap spalin zanieczyszczonych oraz zaworów talerzowych. Umożliwia to przeprowadzenie prac serwisowych na poszczególnych komorach bez konieczności wyłączania całego filtra z pracy. Instalacja odsiarczania spalin rozumiana jako jeden ciąg technologiczny (jedna nitka) składający się z jednego reaktora współpracującego z jednym filtrem workowym nie posiada w zasadzie dolnej granicy ilości odsiarczanych spalin. Może być zabudowana za bardzo małymi kotłami, które generują mniej niż m n /h spalin. Maksymalna ilość spalin kierowana na jedną nitkę odsiarczania wynosi obecnie około m n /h. Ograniczenie to wynika z ograniczeń konstrukcyjno technologicznych filtra workowego. Istnieje potencjalnie możliwość budowy większych filtrów, a co za tym idzie zwiększenie przepustowości pojedynczej nitki, jednak niesie to pewne ryzyko wynikające z zaburzeń hydrauliki przepływu spalin we wnętrzu filtra co może być przyczyną nierównomiernej dystrybucji pyłu na poszczególne komory i powodować zakłócenia w pracy filtra. W przypadku kiedy ilość spalin poddawanych odsiarczaniu jest większa od wspomnianej wcześniej wartości należy przewidzieć zabudowę równoległego ciągu technologicznego (drugiej nitki). Zastosowanie układu wielonitkowego posiada szereg zalet. Nadmienić tu należy przede wszystkim znacznie większą, niż w przypadku układu jednonitkowego, elastyczność obciążenia instalacji spalinami. Poprzez zastosowanie równoległego układu zwiększa się dyspozycyjność i bezpieczeństwo ruchowe bloku energetycznego ponieważ awaria jednej nitki nie skutkuje odstawieniem całego bloku a jedynie zmniejszeniem jego mocy. Wadą układu wielonitkowego jest wzrost nakładów inwestycyjnych. Instalacja półsuchego odsiarczania przeznaczona jest przede wszystkim do oczyszczania gazów spalinowych pochodzących z energetycznego spalania paliw stałych (węgiel kamienny, brunatny, torf, biomasa, odpady przemysłowe i komunalne). Instalacja może oczyszczać także spaliny ze spalania paliw ciekłych (olej opałowy, mazut, ropa naftowa) i gazowych (głównie węglowodory). Oprócz gazów pochodzących z energetycznego spalania paliw, instalacja może być wykorzystana do oczyszczania gazów odlotowych z różnorakich procesów przemysłowych np. procesów prażenia rud, procesów spiekalniczych, metalurgicznych itp. Ważnym jest, aby spaliny znajdowały się w stanie termodynamicznym, charakteryzującym się znacznym oddaleniem od punktu II Ko n f e r e n c j a Wy t w ó r c ó w En e r g i i El e k t r y c z n e j Sk a w i n a 011 6

14 adiabatycznego nasycenia. Oddalenie to musi być na tyle duże, że po uwzględnieniu wody dodanej do spalin w reaktorze i obniżeniu w nim temperatury, spaliny po oczyszczeniu powinny znajdować się jeszcze 10 0 ºC powyżej punktu rosy. Spaliny powinny być także wolne od zanieczyszczeń olejowych. Jeżeli istnieje realne zagrożenie wystąpienia oleju w spalinach (np. nieprawidłowa praca palników w kotle opalanym olejem opałowym ) powinno zastosować się filtr workowy, którego worki zbudowane są z olejoodpornej tkaniny filtracyjnej. Rysunek 4 Schemat ideowy IOS Metoda RP+FT Opisywana technologia odsiarczania jest przedmiotem uzyskanego przez firmę Rafako S.A. patentu na wynalazek pt.: Sposób i reaktor do oczyszczania gazów, zwłaszcza spalinowych, z zanieczyszczeń gazowych, zwłaszcza kwaśnych, pismem Urzędu Patentowego z dnia r. (patent trwa od dnia r.). Patent oznaczono numerem Nr II Ko n f e r e n c j a Wy t w ó r c ó w En e r g i i El e k t r y c z n e j Sk a w i n a 011

15 Przykładowa realizacja IOS metodą RP+FT w Elektrowni Skawina W dniu r. Fabryka Kotłów RAFAKO S.A. w Raciborzu podpisała kontrakt z Elektrownią Skawina na dostawę w systemie pod klucz I nitki odsiarczania spalin opartej na technologii półsuchej z cyrkulacyjnym złożem fluidalnym dla 4 kotłów OP10. Umowa na dostawę II nitki odsiarczania spalin dla kotłów OP0 została podpisana r. Umowy obejmowały wykonanie dwóch bliźniaczych nitek IOS o nominalnej wydajności m n/h spalin wilgotnych każda z możliwością trwałego obciążenia spalin do wartości m n/h, pracujących w układzie kolektorowym. Maksymalna ilość spalin wynosi łącznie m n/h, natomiast minimalna m n/h (minimalne obciążenie pojedynczej nitki IOS). Podstawowe parametry gwarancyjne IOS w El. Skawina są następujące: - skuteczność odsiarczania powyżej 9% - dyspozycyjność instalacji powyżej 96% - zapylenie spalin poniżej 0 mg/m n - stężenie SO w spalinach oczyszczonych - poniżej 00 mg/m n spal. such. O =6% I nitka została oddana do eksploatacji dnia r., jej realizacja trwała 19 miesięcy, natomiast II nitka została przekazana dnia r., po 18 miesiącach od podpisania umowy. Obie instalacje, których budowa na pewnym odcinku przebiegała równolegle, zostały zrealizowane w ciągu miesięcy od daty wejścia umowy w życie. Dotrzymują gwarantowane wartości emisji SO, jak również spełniają wymogi dyspozycyjności, pewności ruchowej, a także dochowują zagwarantowane w kontrakcie parametry technologiczne. W tabeli przedstawiono porównanie ważniejszych gwarantowanych i osiąganych parametrów na przykładzie I nitki IOS. Tabela Gwarantowane i zmierzone osiągi IOS w El. Skawina (I nitka) Zakres wartości Parametr Jednostka zamierzonych Wartość (pomiary gwarantowana gwarancyjne) Skuteczność odsiarczania (wapno % 96,5 9,0 hydratyzowane z dostawy) Skuteczność odsiarczania (wapno hydratyzowane z linii gaszenia) Stężenie zapylenia w spalinach oczyszczonych za IOS % 97,5 9,0 mg/m n spalin suchych, O =6% 1-5 <0 Zużycie energii elektrycznej kw/h <1557 Zużycie wapna hydratyzowanego pochodzącego z dostawy kg/h 85 <550 Zużycie wapna hydratyzowanego pochodzącego z linii gaszenia kg/h 160 <550 II Ko n f e r e n c j a Wy t w ó r c ó w En e r g i i El e k t r y c z n e j Sk a w i n a

16 Rysunek 5 Schemat ideowy IOS w El. Skawina Spaliny prowadzone z wszystkich kotłów łączą się w jeden kanał zbiorczy, z którego rozdzielane są na I i/lub II nitkę. Układ posiada również awaryjne (bypassowe) połączenie ze starym kominem E. Odsiarczone i odpylone spaliny zostają systemem kanałów oczyszczonych odprowadzane do nowego komina E wybudowanego w ramach inwestycji. Sorbentem dla IOS jest wapno hydratyzowane Ca(OH) dostarczane do Elektrowni transportem drogowym (cysternami samochodowymi) lub dostarczane z węzła przygotowania sorbentu (linia gaszenia wapna). Wywóz produktu poprocesowego odbywa się środkami transportu drogowego (cysternami samochodowymi).. KIERUNKI ROZWOJU TECHNOLOGII RP+FT - BADANIA NAD USUWANIEM DIOKSYN, FURANÓW I METALI CIĘŻKICH W REAKTORZE PNEUMATYCZNYM INSTALACJI PÓŁSUCHEGO ODSIARCZANIA SPALIN W ELEKTROWNI SKAWINA. RAFAKO S.A. przeprowadziło w 010 roku na instalacji półsuchego odsiarczania spalin opartej o reaktor pneumatyczny w El. Skawina badania w zakresie usuwania dioksyn, furanów i metali ciężkich. Celem badań było sprawdzenie usuwania zanieczyszczeń limitowanych w Załączniku nr 5 Rozporządzenia Ministra Środowiska z dnia r. w sprawie standardów emisyjnych z instalacji pod kątem wykorzystania technologii rektora pneumatycznego RAFAKO S.A. dla węzła oczyszczania spalin w instalacjach termicznego przekształcania odpadów komunalnych (ITPOK). Wyniki badań potwierdziły wysoki stopień redukcji podanych zanieczyszczeń przy zachowaniu zalet rozwiązania RAFAKO S.A. w zakresie korzystnych wskaźników eksploatacyjnych co może stanowić atrakcyjne rozwiązanie dla planowanych ITPOK. 66 II Ko n f e r e n c j a Wy t w ó r c ó w En e r g i i El e k t r y c z n e j Sk a w i n a 011

17 W trakcie spalania odpadów generowane są substancje szkodliwe dla człowieka i środowiska. Należą do nich między innymi dioksyny, do których zaliczamy polichlorowane dibeznoparadioksyny, polichlorowane dibenzofurany i niektóre polichlorowane bifenyle, zaliczane do dioksynopodobnych (PCDD/F). Dioksyny i furany charakteryzują się bardzo toksycznym działaniem przy bardzo małym stężeniu. Dodatkowo mają zdolności bioakumulacji i biomagnifikacji. Więc im wyżej w łańcuchu pokarmowym, tym poziom nagromadzenia w organizmach żywych jest wyższy. W najbliższych latach Polska będzie musiała dostosować swój system przetwarzania odpadów do standardów Unii Europejskiej, stąd przewiduje się budowę 8 1 spalarni odpadów komunalnych. W chwili obecnej w Polsce eksploatowana jest tylko jedna spalarnia odpadów komunalnych w Warszawie. Ważnym zagadnieniem jest właściwy i przemyślany wybór technologii przetwarzania odpadów umożliwiający uzyskanie zamierzonego celu, przy dotrzymaniu obowiązujących standardów emisyjnych i zadowalającej efektywności ekonomicznej inwestycji. Opracowywane ostatnio analizy oraz przygotowywane zapytania ofertowe wskazują na wyraźne zainteresowanie półsuchą technologią oczyszczania wraz z węzłami DeNO x w technologii SCR lub SNCR i dozowaniem pylistego węgla aktywnego. Stały rozwój półsuchej technologii oczyszczania spalin (technologia RP+FT) związany z powstawaniem nowych efektywnych reaktorów kompleksowo i efektywnie oczyszczających spaliny oraz rozwój technologii utylizacji odpadów i stosunkowo niski koszt inwestycyjny, stwarzają szansę na liczne aplikacje tej technologii w warunkach Polskiej gospodarki odpadami. Mając na uwadze korzystne cechy eksploatowanego w Elektrowni Skawina reaktora pneumatycznego podjęto próbę eksperymentalnego zbadania możliwości dodatkowej adsorpcji zanieczyszczeń gazowych w wyniku dozowania do reaktora różnych addytywów. Badania przeprowadzono na eksploatowanym w Elektrowni Skawina reaktorze pneumatycznym. Głównym celem było zbadanie czasu dystrybucji dozowanych sorbentów w reaktorze oraz ich skuteczności usuwania zanieczyszczeń. W trakcie badań przeanalizowano dwa rożne jakościowo addytywy: Adsorbent węglowy Podczas badań jako czynnika do usuwania rtęci, dioksyn i furanów użyto handlowy preparat: PARADIOX 0-BK firmy DESOTEC, stanowi on pylisty węgiel aktywny o przeciętnych właściwościach adsorpcyjnych. Badania dystrybucji węgla w reaktorze przeprowadzono w trakcie dozowania węgla aktywnego oraz w trakcie pomiaru. Jednorazowo, poprzez rynnę recyrkulacji produktu poreakcyjnego (patrz rys 6), wprowadzono do obiegu reaktora i filtra tkaninowego 500 kg węgla aktywnego. Podczas dozowania węgla pobierano co 1 minutę próbkę produktu poreakcyjnego (PPR-u) przez pierwsze 0 minut, później w trakcie pomiaru co 0 minut w przeciągu,5 godziny. Po wprowadzeniu do obiegu reaktora 500 kg węgla aktywnego, przeprowadzono pomiary emisji zanieczyszczeń gazowych. Próbkę pobierano w ciągu 6,5 h. W trakcie trwania pomiaru nie wyprowadzano z obiegu instalacji żadnych produktów odsiarczania. Adsorbent mineralny Podczas badań jako czynnika do usuwania dioksyn użyto handlowy preparat: MINSORB DM firmy Lhoist, stanowi on zeolit na pylistym nośniku dolomitowym, II Ko n f e r e n c j a Wy t w ó r c ó w En e r g i i El e k t r y c z n e j Sk a w i n a

18 specjalnie spreparowany do usuwania: dioksyn, furanów i metali ciężkich z gazów spalinowych w instalacjach spalarni odpadów. Porównując zachowanie się sorbentu w trakcie jego dozowania do instalacji przyjęto, że jego dystrybucja w instalacji odsiarczania przebiega w analogiczny sposób jak w przypadku węgla aktywnego. Po wprowadzeniu do obiegu reaktora 500 kg sorbentu mineralnego MINSORB DM, przeprowadzono pomiary emisji zanieczyszczeń gazowych. W trakcie trwania pomiaru nie wyprowadzano z obiegu instalacji żadnych produktów odsiarczania. Rysunek 6 miejsce dozowania adsorbentów 68 II Ko n f e r e n c j a Wy t w ó r c ó w En e r g i i El e k t r y c z n e j Sk a w i n a 011

19 Wyniki przeprowadzonych pomiarów dystrybucji addytywu Na wykresie zaprezentowano wzrost stężenia węgla aktywnego w produkcie poreakcyjnym podczas jego dozowania do obiegu instalacji oczyszczania spalin. Wykres wyniki pomiarów dystrybucji węgla Analiza wyników dystrybucji węgla w obrębie reaktora wskazuje na niemal natychmiastowe rozprzestrzenianie się sorbentu w objętości reaktora i filtra workowego co dodatkowo potwierdzają pomiary emisji ditlenku siarki w trakcie wsypania kolejnej porcji węgla. Wyniki oznaczania zawartości węgla w PPR-rze wskazują, że po wprowadzeniu całej porcji węgla jego stężenie w cyrklowanych produktach oczyszczania spalin utrzymuje się na poziomie 0,08%wag. Wyniki pomiarów emisji dioksyn i metali ciężkich Zestawienie wybranych wyników pomiarów emisji dioksyn, furanów i metali ciężkich dla węgla aktywnego PARADIOX 0 BK zawarto w tabeli. Niestety przeprowadzone pomiary emisji zanieczyszczeń w przypadku badań sorbentu mineralnego MINSORB DM nie nadają się do porównania z uwagi na zbyt małe stężenia zanieczyszczeń na wlocie do instalacji w trakcie trwania pomiarów (w zakresie błędu oznaczalności metody). W związku z czym w tabeli 4 zamieszczono wyniki udostępnione przez firmę Lhoist, wyniki te pochodzą z pomiarów emisji ze spalarni odpadów przed i za filtrem tkaninowym. Temperatura procesu 190 C i stężenie MINSORB-u DM mg/m n. II Ko n f e r e n c j a Wy t w ó r c ó w En e r g i i El e k t r y c z n e j Sk a w i n a

20 Tabela. Wyniki pomiarów emisji zanieczyszczeń gazowych w Elektrowni Skawina dla węgla aktywnego PARADIOX 0 BK temperatura procesu 100 C Zanieczyszczenia j.m. Przed IOS Za IOS Hg mg/nm 0,0054 0,0001 Cd+Tl mg/nm 0,0056 0,004 Sb+As+Pb+Cr+Co+Co+Cu+Mn+Ni+V mg/nm 0,0490 0,060 Dioksyny i furany ng TEQ/Nm 0,1600 0, II Ko n f e r e n c j a Wy t w ó r c ó w En e r g i i El e k t r y c z n e j Sk a w i n a 011

21 Tabela 4. Wyniki pomiarów emisji zanieczyszczeń gazowych w Spalarni odpadów dla sorbentu mineralnego MINSORB DM (źródło Lhoist),temperatura procesu 190 C, stężenie mg/m n Zanieczyszczenia j.m. Przed IOS ITUO Za IOS ITUO Hg mg/nm 0,8050 0,0004 Cd+Tl mg/nm 0,1150 0,001 Sb+As+Pb+Cr+Co+Co+Cu+Mn+Ni+V mg/nm,500 0,015 Dioksyny i furany ng TEQ/Nm 1,5000 0,001 Analiza przeprowadzonych pomiarów Przeprowadzone w Elektrowni Skawina badania redukcji związków wielkocząsteczkowych wskazują, że badana instalacja posiada korzystne cechy do oczyszczania spalin ze związków wielkocząsteczkowych oraz metali ciężkich. W stosunku do innych dostępnych na rynku technologii analogiczny efekt procesowy uzyska się przy znacznie niższym stężeniu adsorbenta (węgla aktywnego). Co jest istotnym czynnikiem obniżającym koszty eksploatacyjne i inwestycyjne instalacji. Generowany w reaktorze kontur cyrkulacyjny powoduje natychmiastowe wymieszanie reagentów w całej objętości reaktora. Dokumentują to pomiary dystrybucji węgla w produkcie odsiarczania (Wykres ) oraz obserwowany skokowy spadek stężenia ditlenku siarki po wprowadzeniu kolejnej (0 kg) porcji węgla. Fakt ten dodatkowo umożliwia lepsze wykorzystanie adsorbenta (węgla aktywnego lub sorbentów mineralnych) i jest wynikiem wielokrotnej cyrkulacji reagentów w objętości reaktora. Wykres przedstawia skuteczności usuwania par rtęci w zależności od stężenia węgla aktywnego w spalinach. Badania powyższej zależności przeprowadzono dla trzech różnych temperatur spalin. Dane na wykresie pochodzą z badań przeprowadzonych na niemieckich instalacjach TPOK i przeprowadzone były na węglach aktywnych o dużej zdolności adsorpcyjnej. Zdolność adsorpcyjna węgla aktywnego w bezpośredni sposób zależy od jego jednostkowej powierzchni właściwej BTE. Czym większa powierzchnia właściwa BTE, tym większa zdolność adsorpcyjna węgla. Krzywe na poniższym wykresie dotyczą węgla o powierzchni właściwej BTE na poziomie większej niż 1000 m /g. Zastosowany w badaniach w Skawinie węgiel aktywny PARADIOX 0-BK posiada w porównaniu z innymi tego typu węglami, niskie zdolności adsorpcyjne. Powierzchnia właściwa BTE PARADIOXu 0-BK wynosi około 400 m /g. Na podstawie ilości węgla dodanego do układu, ilości przepływających spalin oraz czasu przeprowadzania badania wyliczono, że stężenie PARADIOXu 0-BK liczone względem spalin surowych wpływających do instalacji wynosi około 110 mg/m n. Przy takim stężeniu węgla zmierzona skuteczność usuwania par Hg wynosiła około 96,1%. Porównując wyniki pomiarów skuteczności usuwania Hg z niemieckimi wynikami zawartymi na wykresie (krzywa dla temperatury 100ºC) widzimy, że skuteczności usuwania Hg w obu przypadkach są na podobnym poziomie. II Ko n f e r e n c j a Wy t w ó r c ó w En e r g i i El e k t r y c z n e j Sk a w i n a

22 Na uwagę zasługuje fakt, że wysokie skuteczności usuwania rtęci, uzyskano przy znacznie gorszym jakościowo adsorbencie węglowym. Przyczyną takiego stanu rzeczy jest bardzo wydajna recyrkulacja pyłu wyłapanego na filtrze i zawracanego do reaktora. Zawartość węgla w recyrkulowanym pyle wynosi 0,08% wag. Znając koncentrację pyłu w reaktorze, oraz ilość spalin przepływających przez reaktor można wyznaczyć stężenie węgla odniesione do objętości spalin tylko w samym reaktorze. Stężenie węgla aktywnego w reaktorze wynosi mg/m n spalin. Zjawisko to ma bardzo pozytywny charakter. Oznacza bowiem, że używając gorszego jakościowo węgla (znacznie tańszego) można uzyskać ten sam efekt oczyszczania co w przypadku zastosowania wydajniejszych adsorbentów w innych technologiach oczyszczania spalin, przy czym ilość zużywanego węgla w obu przypadkach jest jednakowa. Otrzymane wyniki sugerują również, że skuteczne usuwanie zanieczyszczeń można osiągnąć poprzez stosowanie wydajniejszych adsorbentów jednak ilość zużywanego węgla będzie wyraźnie mniejsza niż w przypadku zastosowania technologii oczyszczania spalin pozbawionej układu bardzo wydajnej recyrkulacji pyłu z odpylacza do reaktora. Skuteczność usuwania par Hg w zależności od stężenia węgla aktywnego 100% 90% 100 st.c Skuteczność usuwania Hg 80% 70% 60% 50% 40% 0% 0% st.c 180 st.c 10% 0% Stężenie węgla aktywnego [mg/m n] Wykres. Skuteczność usuwania par rtęci w zależności od stężenia węgla aktywnego w oczyszczanych spalinach Technologia RP+FT umożliwia wprowadzanie adsorbenta z sorbentem (wapnem gaszonym) lub osobno prostym systemem dozowania np. pompa komorowa, podajnik ślimakowy lub inny system. Podawanie może być realizowane porcjami lub w sposób ciągły. W badanej technologii możliwa jest redukcja zanieczyszczeń emitowanych ze spalarni odpadów w tym: gazów kwaśnych, zw. organicznych (dioksyn, furanów) oraz metali ciężkich do wymaganych przepisami standardów emisyjnych przy niższych kosztach eksploatacyjnych i inwestycyjnych instalacji oczyszczania spalin. W badaniach zastosowano odpadowy węgiel z produkcji wysoko kwalifikowanych węgli aktywnych, PARADIOX 0 BK, którego cena wynosi ok,5 zł/kg. W trakcie badań uzyskano skuteczność usuwania dioksyn na poziomie 87 90% przy początkowym stężeniu 0,16 ng/m n. Należy podkreślić, że przy większych stężeniach początkowych skuteczności te ulegną znacznemu podwyższeniu. 7 II Ko n f e r e n c j a Wy t w ó r c ó w En e r g i i El e k t r y c z n e j Sk a w i n a 011

23 Dodatkowo w badaniach zastosowano sorbent mineralny MINSORB DM, którego cena wynosi ok.,8 zł/kg. W trakcie badań niestety nie uzyskano potwierdzenia jego cech sorpcyjnych z powodu zbyt niskich niemierzalnych stężeń zanieczyszczeń w spalinach co w żadnym razie nie dyskwalifikuje go jako preferowanego addytywu. Badana instalacja umożliwia zastosowanie addytywów na bazie sorbentów nieorganicznych j.w., które powinny dodatkowo potwierdzić korzystne cechy reaktora pneumatycznego do jednoczesnego oczyszczania spalin ze związków kwaśnych (HCl, HF, SO, SO ), wielkocząsteczkowych związków organicznych (dioksyn, furanów) oraz metali ciężkich. Przeprowadzone w Elektrowni Skawina badania redukcji związków wielkocząsteczkowych PCDD, PCDF, PCB i metali ciężkich pozwalają na sformułowanie następujących wniosków: Analizowana instalacja posiada korzystne cechy do oczyszczania spalin ze związków wielkocząsteczkowych oraz metali ciężkich. W stosunku do innych dostępnych na rynku technologii analogiczny efekt procesowy uzyska się przy znacznie niższym stężeniu adsorbenta. Technologia ta umożliwia wprowadzanie adsorbenta (węgla aktywnego) z sorbentem (wapnem gaszonym) lub osobno prostym systemem dozowania np. pompa komorowa, podajnik ślimakowy lub inny system. Podawanie może być realizowane porcjami lub w sposób ciągły. Według analizowanej technologii możliwa jest redukcja zanieczyszczeń emitowanych ze spalarni odpadów w tym: gazów kwaśnych, zw. organicznych (dioksyn, furanów) oraz metali ciężkich do wymaganych przepisami standardów emisyjnych przy niższych kosztach eksploatacyjnych i inwestycyjnych instalacji oczyszczania spalin. Badana instalacja umożliwia zastosowanie addytywów na bazie sorbentów nieorganicznych. Sorbenty nieorganiczne posiadają pewne zalety względem węgli aktywnych. Podstawowym argumentem przemawiającym za sorbentem nieorganicznym jest jego całkowita niepalność, a co za tym idzie na instalacji nie wystąpią żadne strefy zagrożenia wybuchem. W stosunku do eksploatowanych w spalarniach odpadów systemów oczyszczania spalin analizowana instalacja dzięki wielokrotnej cyrkulacji sorbentów pozwala na stosowanie tanich odpadowych węgli aktywnych oraz tanich dostępnych sorbentów (wapna hydratyzowanego o powierzchni właściwej na poziomie m /g). 4. PORÓWNAWCZA ANALIZA TECHNICZNO EKONOMICZNA WYBRANYCH TECHNOLOGII OCZYSZCZANIA SPALIN Z ITPOK. Dane założeniowe do wykonania analizy: Instalacja TPOK pracuje jako jedna linia technologiczna o wydajności dopasowanej do bilansu masowego wytwarzanych odpadów komunalnych. Przyjęta na potrzeby analizy ilość przetwarzanych odpadów jest ilością, która odpowiada potrzebą dużych, polskich aglomeracji miejskich w kwestii gospodarki odpadami komunalnymi. W tabelach poniżej przedstawiono główne parametry techniczne analizowanej ITPOK oraz określono wymagania jakim musi sprostać w kwestii emisji zanieczyszczeń. Analiza techniczno ekonomiczna odnosi się tylko II Ko n f e r e n c j a Wy t w ó r c ó w En e r g i i El e k t r y c z n e j Sk a w i n a 011 7

24 do tzw. segmentu oczyszczania spalin w skład którego wchodzi system usuwania kwaśnych składników spalin, system odpylania, system usuwania dioksyn, furanów, rtęci i innych metali ciężkich oraz system DeNOx. Na potrzeby analizy założony okres obliczeniowy (żywotność instalacji) przyjęto na poziomie 0 lat ciągłej eksploatacji. Tabela 5 podstawowe parametry ITPOK Parametr Jednostka Wartość Parametry ogólne Ilość przetwarzanych odpadów t/rok Czas pracy h/rok Ilość przetwarzanych odpadów t/h 5 Moc termiczna kotła MW 80 Parametry paliwa Średnia wartość opałowa MJ/kg 11,5 Zawartość węgla - C % wag 8,5 Zawartość wodoru - H % wag 4,089 Zawartość tlenu - O % wag 14,870 Zawartość azotu - N % wag 0,54 Zawartość siarki - S % wag 0,171 Zawartość chloru - Cl % wag 0,767 Zawartość fluoru - F % wag 0,007 Zawartość popiołu - A % wag 5,651 Zawartość wody - W % wag 5, II Ko n f e r e n c j a Wy t w ó r c ó w En e r g i i El e k t r y c z n e j Sk a w i n a 011

25 Tabela 6. Parametry spalin przed procesem oczyszczania (na wylocie z kotła) Parametr Jednostka Wartość Strumień spalin wilgotnych m n/h Temperatura ºC 00 Zawartość N % obj. spal. wilg. 68,808 Zawartość O % obj. spal. wilg. 7,780 Zawartość H O % obj. spal. wilg. 1,884 Zawartość CO % obj. spal. wilg. 8,60 Zawartość Ar + Ne % obj. spal. wilg. 0,808 Stężenie CO mg/m n spal. such. O = 11% 0 Stężenie HCl mg/m n spal. such. O = 11% Stężenie HF mg/m n spal. such. O = 11% 15 Stężenie SO x jako SO mg/m n spal. such. O = 11% 650 Stężenie NO x jako NO mg/m n spal. such. O = 11% 450 Stężenie pyłu mg/m n spal. such. O = 11% 500 Stężenie Hg mg/m n spal. such. O = 11% 0,5 Stężenie Σ Cd+Tl mg/m n spal. such. O = 11% 0,8 Stężenie Σ As, Cd, Co, Cr + Benzo(a)pyren Stężenie Σ Sb, As, Pb, Cr, Co, Cu, Mn, Ni, V, Sn Dioksyny i furany (PCDD/PCDF) mg/m n spal. such. O = 11% 0,8 mg/m n spal. such. O = 11% ngteq/m n spal. such. O = 11% Tabela 7. Wymagane parametry spalin po oczyszczeniu (emitowanych do atmosfery) Średnie Średnie Parametr Jednostka dobowe trzydziestominutowe Stężenie CO mg/m n spal. such. O = 11% Stężenie HCl mg/m n spal. such. O = 11% Stężenie HF mg/m n spal. such. O = 11% 1 4 Stężenie SO x jako SO mg/m n spal. such. O = 11% Stężenie NO x jako NO mg/m n spal. such. O = 11% Stężenie pyłu mg/m n spal. such. O = 11% 10 0 Stężenie Hg mg/m n spal. such. O = 11% 0,0 0,05 Stężenie Σ Cd+Tl mg/m n spal. such. O = 11% 0,05-1 II Ko n f e r e n c j a Wy t w ó r c ó w En e r g i i El e k t r y c z n e j Sk a w i n a

26 Stężenie Σ As, Cd, Co, Cr + Benzo(a)pyren Stężenie Σ Sb, As, Pb, Cr, Co, Cu, Mn, Ni, V, Sn Dioksyny i furany (PCDD/PCDF) mg/m n spal. such. O = 11% 0,05 - mg/m n spal. such. O = 11% 0,5 - ngteq/m n spal. such. O = 11% 0,1 - Istnieje bardzo wiele technologii możliwych do zastosowania w segmencie oczyszczania gazów w Instalacjach Termicznej Przeróbki Odpadów Komunalnych (ITPOK). Według dokumentu określającego najlepsze dostępne techniki BAT (tzw. BREFy), ilość stosowanych i dopuszczalnych kombinacji systemów oczyszczania spalin wynosi 408 możliwości. W oparciu o metodę mokrą możliwych jest 168 kombinacji. Podobną ilość kombinacji (16) daje nam oczyszczanie spalin z wykorzystaniem metody suchej. Natomiast oczyszczanie spalin z wykorzystaniem metody półsuchej możliwe jest do zrealizowania w oparciu o 78 kombinacji. Obecnie dominującym na świecie trendem jest stosowanie technologii półsuchych i suchych. Trend ten jest także widoczny na rodzimym rynku. Znakomita większość z dwunastu ITPOK, mających być zrealizowanych do końca trwającej dekady, będzie zrealizowana w technologii półsuchej. Poniżej przedstawiona została krótka porównawcza analiza techniczno - ekonomiczna trzech konkurujących ze sobą technologii oczyszczania gazów stosowanych w ITPOK. Analizę wykonano do następujących przypadków: WARIANT I technologia z zastosowaniem reaktora pneumatycznego (RP + FT) wraz z systemem DeNO x opartym na technologii SCR, zabudowanym na ciągu spalin oczyszczonych. WARIANT II technologia z zastosowaniem atomizera (SDA) wraz z systemem DeNO x opartym na technologii SCR, zabudowanym na ciągu spalin oczyszczonych. WARIANT III technologia z zastosowaniem bikarbonatu sodowego wraz z systemem DeNO x opartym na technologii SCR, zabudowanym na ciągu spalin oczyszczonych. WARIANT I metoda RP+FT + SCR. Zasada działania metody RP+FT została opisana we wcześniejszej części artykułu. W celu usunięcia kwaśnych składników spalin (HCl, HF, SO, SO ) stosuje się wodorotlenek wapnia Ca(OH) w postaci suchej. Spaliny schładza się drobnorozpyloną wodą. Dodatkowo do usunięcia par rtęci, dioksyn i furanów do reaktora podaje się sproszkowany węgiel aktywny. Pył oraz metale ciężkie wychwytywane są na filtrze tkaninowym. Za filtrem tkaninowym zabudowany jest system DeNO x w technologii SCR. Ze względu na stosunkowo niską temperaturę spalin zachodzi potrzeba zastosowania wtórnego podgrzewu spalin, ponieważ poprawna praca katalizatora SCR następuje w temperaturach powyżej 40 ºC. Wtórny podgrzew spalin zrealizowany jest dwustopniowo. Pierwszy stopień podgrzewu spalin wykorzystuje ciepło gorących spalin zza katalizatora SCR - 76 II Ko n f e r e n c j a Wy t w ó r c ó w En e r g i i El e k t r y c z n e j Sk a w i n a 011