Elektrofiltr kominowy

Transkrypt

1 Politechnika Śląska Katedra Inżynierii Chemicznej i Projektowania Procesowego Ograniczenie emisji zanieczyszczeń, w szczególności pyłu, ze spalania paliw stałych w instalacjach małej mocy Elektrofiltr kominowy Projekt realizowany na zlecenie Grupy CZH S.A. Dr inż. Robert Kubica

2 Czynniki sprawcze i presje Wszyscy mamy prawo oddychać czystym powietrzem!

3 Niska emisja

4 Szkodliwe oddziaływanie Zmiany klimatu! Koszty zewnętrzne! Źródło: Heal 2013 Szkodliwe oddziaływanie pyłu oraz zanieczyszczeń z nim niesionych (WWA, Dioksyny etc.) Znaczenie rozmiaru ziaren dla penetracji organizmu przez drogi oddechowe

5 Szkodliwe oddziaływanie Stężenie w powietrzu - imisja Przekroczenia wartości granicznych mierzone (µg/m 3 n), wartości zalecane przez WHO poniżej 20(µg/m 3 n)

6 Szkodliwe oddziaływanie Hot-spoty ; Kraków, Śląsk, dolina rzeki Pad >> 65 (µg/m 3 n)

7 Emisja pyłu Emisja pyłu z instalacji spalania paliw stałych, małej mocy 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 standardów emisji

8 Dust emission Naturalne źródła emisji, w tym pyłu(wulkany, pustynie,erozja gleby, aerozol morski etc.. (niski/zerowy potencjał poprawy) Chmura pyłu Front pyłu na pustyni Sahara

9 Źródła antropogeniczne: termochemiczna konwersja paliw, Emisja pyłu Ponad 75% emisji NOxi 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. Emisja pyłu z instalacji spalania paliw stałych, małej mocy

10 Emisja pyłu z instalacji spalania paliw stałych, małej mocy Emisja pyłu PM10, Mg/a gaz płynne węgiel biomasa Rozpoznany, znaczący udział paliw stałych w emisji całkowitej Źródło: KCIE 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

11 Emisja pyłu % LCP Pozostałe SCI Przemysłowe SCI 10 0 SO2 NO x PM10 Rozpoznany, znaczący udział instalacji spalania małej mocy w emisji całkowitej Źródło KCIE 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

12 Emisja pyłu Źródło KCIE 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 Sketor komunalno-bytowy jest kluczowy Zaostrzenie wymagań dotyczących jakości powietrza, objęcie limitami emisji instalacji spalania małej mocy

13 Możliwości techniczne i potencjał poprawy jakości powietrza Struktura instalacji grzewczych w sektorze komunalnym z dominującym udziałem urządzeń niskiej jakości, jak kotły zasypowe, w których spalane są zarówno węgiel jak i drewno skutkuje problemami z jakością powietrza Problem dotyczy to szczególnie gęsto zaludnionych stref o niekorzystnych warunkach meteorologiczny słabym przewietrzaniu. Taka struktura charakteryzuje się olbrzymim potencjałem ograniczenia emisji poprawy stanu aktualnego Dostępne są odpowiednie rozwiązania techniczne dla ograniczenia emisji, zarówno pierwotne jak i wtórne Konieczne jest włącznie działań pozatechnicznych, w tym mechanizmów wsparcia finansowego

14 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 Pyły o rozdrobnieniu makroskopowym. Grube ziarna µm Drobne ziarna 60 5 µm Bardzo drobne ziarna 5 1 µm Średnie ziarna µm Niezależnie od źródła i składu

15 Pył to zwyczajowa nazwa: Emisja pyłu z instalacji spalania paliw stałych, małej mocy Co to jest pył Całkowitego pyłu zawieszonego (Total Suspended Particles TSP) Cząstek stałych (Particulate matter PM), w tym: o PM1; średnica cząstki <1 µm o PM2.5; średnica cząstki <2.5 µm o PM10; średnica cząstki <10 µm Popiół lotny; pył powstały wskutek spalania paliwa Aerozol; zarówno cząstki stałe jak i krople cieczy zawieszone w gazie (pył o rozdrobnieniu koloidalnym) o Aerozol pierwotny (PA; Primary Aerosol o Aerozol wtórny (SA; Secondary Aerosol) o Pierwotny aerozol organiczny (POA; Primary Organic Aerosol) o Wtórny aerozol organiczny (SOA; Secondary Organic Aerosol)

16 Definicje, charakterystyka zanieczyszczenia PAO, sadza, PA popiół lotny, gruby Źródło; Dr. Thomas Brunner, EU-UltraLowDust 1st Workshop of the Mirror Group, 28th November 2012, Brussels, Belgium Jakie rozmiary przyjmują cząstki pyłu

17 Definicje, charakterystyka zanieczyszczenia Pyły PM2.5 Pyły PM10 Pochodzenie Prekursory gazowe Duże cząstki stałe/ krople Mechanizm powstawania Emisja pyłu z instalacji spalania paliw stałych, małej mocy Reakcja chemiczna; enukleacja; kondensacja, koagulacja; odparowania mgieł chmur kropel w których gazy zostały rozpuszczone i przereagowały Skład Siarczany (SO 2-4 ); 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 Przeważnie rozpuszczalne, higroskopijne Źródła 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; zużyta guma z opon Przeważnie 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 Źródło emisji ma kluczowy wpływ na charakterystykę zanieczyszczenia Właściwości określają oddziaływanie na zdrowie i środowisko Zdolność do migracji Setki do tysięcy kilometrów <1 do dziesiątek kilometrów

18 Definicje, charakterystyka zanieczyszczenia 100% 90% % udz ział frakcji ziarnowych 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% frakcje µm > 10 2, ,5 <1 0% pelet zrębki drewno kawałkowe węgiel paliwo Wpływ rodzaju paliwa na uziarnienie pyłu Im więcej części lotnych w paliwie tym drobniejszy pył Źródło: 1 H. Hartmann, P. Turowski, New developments in small scale ESP technology,technology- and Support Centre (TFZ), Straubing, Germany(

19 Metody ograniczenia emisji Środki techniczne Poprawa efektywności środowiskowej instalacji spalania małej mocy Oddziaływanie na środowisko, emisyjność Najlepsze praktyki Technika spalania Wtórne metody ogranicz. emisji Jakość paliwa Dystrybucja powietrza Elektrofiltry Obniżona moc Obsługa i konserwacja Jak rozwiązać problem emisji pyłów Sterowanie procesem Filtry tkaninowe Dopalanie katalityczne Metody pierwotne aranżacja procesu spalania, jakość paliwa Metody wtórne odpylanie, dopalanie katalityczne

20 Metody ograniczenia emisji Samo paliwo np. węgiel, nie jest problemem (ON vs. benzyna) Ważna jest technika spalania pierwotne metody ograniczenia emisji Odpylanie wtórne metody ograniczenia emisji

21 Metody ograniczenia emisji Metody pierwotne: zwiększenie sprawności urządzeń, uzdatnianie paliwa usuwanie zanieczyszczeń z 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: katalizatory - dopalanie oczyszczanie spalin urządzenia odpylające; filtry, odpylacze odśrodkowe, inercyjne, elektrofiltry, skrubery itp.

22 Ograniczenie emisji technika spalania Jak wyglądają ISMM Znaczące różnice pomiędzy nowymi i starymi konstrukcjami Stopniowanie powietrza!!!

23 Ograniczenie emisji technika spalania Jak wyglądają piec/kominek/piecokuchnia

24 Ograniczenie emisji technika spalania a) dolne spalanie w całej objętości złoża spalanie przeciwprądowe b) górne spalanie spalanie współprądowe

25 Ograniczenie emisji technika spalania Stopniowanie powietrza współczesna technika dla niskoemisyjnego spalania. Powietrze pierwotne podawane do złoża paliwa Powietrze wtórne podawane do strefy dopalania Powietrze trzeciorzędowe dopalanie przy spalaniu biomasy Optymalny nadmiar powietrza dla utrzymania wysokiej temperatury i osiągnięcia maksymalnej sprawności. Odpowiedni czas przebywania fazy gazowej w strefie wysokich temperatur dla spalania niskoemisyjnego. Wysoka temperatura znacząco poprawia dopalanie. Odpowiednia konstrukcja komory spalania izolacja, materiały refrakcyjne (kominka zamknięte vs. otwarte)

26 Ograniczenie emisji inne ważne elementy Zaawansowane układy sterowania; PID, fuzzy logic Poprawny dobór urządzenia grzewczego do zapotrzebowania na ciepło Współpraca z zasobnikiem ciepła, zawory mieszające wyrównanie obciążenia kotła (zmniejszenie częstotliwości rozpału/załadunku praca przy obciążeniu nominalnym, najwyższa sprawność i najniższe emisje Jakość przewodów kominowych ciąg naturalny Szkolenie ograniczenie błędów obsługi

27 Ograniczenie emisji technika spalania 6000, mg/gj, *PCDD/F ng/gj Wskaźnik emisji, Piece 0 CO LZO Pył WWA *PCDD/F Kotły ręczne Kotły automatyczne

28 Ograniczenie emisji technika spalania sprawność Źródłoe; Dr. Thomas Brunner, EU-UltraLowDust 1st Workshop of the Mirror Group, 28th November 2012, Brussels, Belgium Poprawa jakości urządzeń/techniki splania

29 Ograniczenie emisji technika spalania Drastyczna poprawa parametrów emisyjnych i sprawności urządzeń grzewczych opalanych paliwami stałymi, produkowanych również przez rodzimych producentów Emisja CO, mg/m n 3 CO PYŁ Emisja pyłu, mg/m n 3

30 Metody ograniczenia emisji pyłu Metody pierwotne eliminowanie przyczyn nie skutków Sprawność I emisje Produkt Kominek zam mknięty Piec Piecokuchnia Piec kaflowy Piec pelletow wy Kocioł pelleto owy Kocioł zgazo owujący (drewno) Moc kw Sprawność % Sprawność średniroczna E CO 78 (82) 79 (84) 78 (79) 82 (84) 90 (94) 92 (94) 90 (92) Kocioł węglo owy automat. 88 (89) % E mg/m 3 Pył Kocioł na zrę ębki 91 (92) E OGC

31 Metody ograniczenia emisji pyłu Metody pierwotne prototypowy kocioł retortowy z cylindryczną komorą spalania (Politechnika Śląska, Budkot, Mokrosz Sp. z o.o.) Spalanie węgla w kotle automatycznym jest opcją dla ograniczenia emisji pyłu (przykład instalacja w ZABRZU)

32 Konstrukcje Ultra Nisko Emisyjne - UNE Emisja pyłu z instalacji spalania paliw stałych, małej mocy Metody ograniczenia emisji Również rodzimi producenci zbliżają się do poziomu emisji pyłu typowego dla urządzeń gazowych czy olejowych Kocioł pelletowy prototyp typowy poprawa BAT poprawa Prototypy nowych konstrukcji Najlepsze konstrukcje dostępne na rynku

33 Ograniczenie emisji dobra praktyka/jakość paliwa Emisja pyłu, mg/m Zawartość popiółu, % Wpływ zawartości części mineralnych w paliwie na emisję pyłu

34 Ograniczenie emisji dobra praktyka/jakość paliwa Fig.13. źródło: Hans Hartmann Technology and Support Centre of Renewable Raw Materials (TFZ), Wpływ wilgotności paliwa (drewna) na emisję pyłu Stan powietrzno suchy w naszej strefie klimat. (15-25%)

35 Ograniczenie emisji metody wtórne Przewaga metod pierwotnych nad wtórnymi Metody wtórne podnoszą koszty inwestycyjne o 20 do 40% W określonych przypadka metody wtórne są konieczne istniejące instalacje, mało zaawansowane, tanie konstrukcje kotłowe

36 Ograniczenie emisji metody wtórne Znaczący postęp obserwowany przez ostatnie 10 lat (również rodzimi wytwórcy): Filtry ograniczenie emisji pyłu Katalizatory/dopalacze-ograniczenie emisji CO i LZO (również prekursorów gazowych pyłu)

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

38 Metody ograniczenia emisji Różne 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

39 Metody ograniczenia emisji

40 Metody ograniczenia emisji 1. 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 komorę gazu 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. kanał wylotowy gazu czystego, 10. przepustnica talerzowa, 11. zbiornik sprężonego 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 płaskaġliwice, 18 listopada2016 Schemat filtra ziarnistego

41 Metody ograniczenia emisji 1- 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- ścieżka (przestrzeń międzyelektrodowa)

42 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 (gorący) d p [µm]

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

44 Metody ograniczenia emisji Koszty urządzeń odpylających K inwestycyjne, tyś. PLN K inwestycyjne, PLN/m n 3spalin Moc źródła 0,5MW Moc źródła 1,0 MW Moc źródła 0,5MW Moc źródła 1,0 MW od do od do Komora osadcza Cyklon, bateria cyklonów Bateria cyklonów wysokosprawnych Cyklofiltr Filtr tkaninowy Elektrofiltr Komora osadcza Cyklon, bateria cyklonów Bateria cyklonów wysokosprawnych Cyklofiltr Filtr tkaninowy Elektrofiltr K eksploatacyjne,pln/(tys.m n 3 spalin) Moc źródła 0,5-1,0MW od do 0,00 0,01 0,20 0,27 0,20 0,36 0,36 0,35 0,69 1,24 0,07 0,17

45 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? (wodny punkt rosy) odpylanie w polu sił elektrostatycznych odpylanie w polu sił elektrostatycznych Uwzględniając sprawność frakcyjną i charakterystykę zanieczyszczeń oczyszczanie spalin z wykorzystaniem elektrostatycznego mechanizmu wydzielania pyłu wydaje się najkorzystniejszym wariantem technicznym metody wtórne.

46 Metody ograniczenia emisji - elektrofiltry Elektrofiltr instalowany za urządzeniem Elektrofiltr kominowy Komercyjne rozwiązania Europa Zachodnia i Skandynawia Źródło: H. Hartmann, P. Turowski, New developments in small scale ESP technology,technology- and Support Centre (TFZ), Straubing, Germany(

47 Metody ograniczenia emisji, elektrofiltry Rozwiązania komercyjne są dostępne na rynku. Dostawcą są również rodzimi producenci (TECH Sterowniki, ST 360) Skuteczność odpylania waha się w zakresie 50 do 90%. Możliwość budowy ultra niskoemisyjnych instalacji spalania małej mocy, zasilanych paliwami stałymi (<20 mg/m n3 ). Możliwość uzyskania natychmiastowego efektu ekologicznego

48 Metody ograniczenia emisji - elektrofiltr Komercyjny elektrofiltr, urządzenia grzewcze do 25 kw, w tym opalane biomasą, we współpracy z firmą TECH Sterowniki) 6 I-3 I I I-2 Stężenie pyłu w spalinach <30 mg/m 3 (w warunkach umownych, 10%O 2 )

49 Metody ograniczenia emisji - elektrofiltry Komercyjny elektrofiltr Nowe urządzenia grzewcze Rys.5. Istniejące instalacje retrofitting

50 Metody ograniczenia emisji - elektrofiltry Komercyjny elektrofiltr automatyczne oczyszczanie niskie zużycie en. el. (0,02 PLN/h) koszt zakupu ~ 2000 PLN WN DC AC WN DC

51 Elektrofiltr kominowy Współpraca z Grupą CZH oraz TECH Sterowniki Trudniejsze warunki pracy (warunki atmosferyczne i parametry spalin) Łatwy instalacja przy istniejących urządzeniach, w tym: ogrzewaczach pomieszczeń, piecach, kominkach, pieco-kuchniach Objęcie działaniami znacznie większej (całej) populacji urządzeń Efektywniejsze przeciwdziałanie emisji ograniczenie emisji aerozolu kondensacyjnego 2 1 WN DC

52 Emisja pyłu z instalacji spalania paliw stałych w małych instalacjach Miejsce zabudowy elektrofiltru Temperatura Czopuch kotła wylot z komina Punkt pomiaru temp. filtra Lotne związki organiczne Pył, (sadza, POA, PA) Pył : w czopuchu na filtrze emisja Source; Dr. Thomas Brunner, EU-UltraLowDust 1st Workshop of the Mirror Group, 28th November 2012, Brussels, Belgium Wpływ profilu temperatury na emisję PM/LZO Kluczowe dla wyboru metodyki pomiarowej i techniki ograniczenia emisji Tychy, 15 października 2016

53 Elektrofiltr kominowy Współpraca z Grupą CZH automatyczne oczyszczanie, niskie zużycie en. el. (0,02 PLN/h) koszt zakupu < 3000 PLN Elektrofiltry kominowe warianty 1. Nasadka 2. Bocznik Rozwiązania komercyjne mogą się różnić budową Aktualnie faza przygotowania do wdrożenia Kolejny etap kampania pilotażowa (> 50 szt.) Komercjalizacja

54 Metody ograniczenia emisji - podsumowanie Istniejątechniczne możliwości ograniczenia emisji TSP Zastosowanie pierwotnych i wtórnych metod -niskoemisyjne spalanie paliw stałych Możliwe do osiągnięcia stężenie pyłu w spalinach to <20 mg/m 3 (w warunkach umownych, 10%O 2 ) emisja PM [mg/m 3 ] przy 10%O2 emisja PM [mg/m 3 ] przy 10%O moc kw Pellet drzewny PM[mg/m3] klasa 3 EN 303-5:2012 klasa 4 EN 303-5:2012 klasa 5 EN 303-5:2012 wymagania Ecodesign Węgiel PM (retorta) [mg/m3] PM (tłok)[mg/m3] klasa 3 EN 303-5:2012 klasa 4 EN 303-5:2012 klasa 5 EN 303-5:2012 wymagania Ecodesign protokół LRTAP moc kw

55 Podsumowanie paliwa stałe vs. płynne; kopalne vs. biomasa Wskaźnik emisji CO 2 TSP g/mj mg/mj Gaz 60 - Olej 80 1,5 Węgiel Biomasa 0 2 Racjonalne wykorzystanie rodzimych zasobów paliw kopalnych - produkcja ciepła użytkowego z wysoką sprawnością (>90%). Wykorzystanie lokalnych zasobów odnawialnychźródeł energii drewno, pellet... Rozwój potencjału wytwórczego rodzimych producentów urządzeń grzewczych i układów sterowania.

56 Przewaga metod pierwotnych ekonomia Metody wtórne natychmiastowa poprawa pracy istniejących instalacji Niezbędne regulacje prawne racjonalne terminy wdrażania Mechanizmy wsparcia finansowego! Źrdóło; EU-UltraLowDust 2nd Workshop of the Mirror Group, 3rd December 2013, Brussels, Belgium