INTENSYFIKACJA ODSIARCZANIA SPALIN W WARSTWIE FILTRACYJNEJ FILTRA WORKOWEGO Kazimierz Gaj, Franciszek Knop

Transkrypt

1 INTENSYFIKACJA ODSIARCZANIA SPALIN W WARSTWIE FILTRACYJNEJ FILTRA WORKOWEGO Kazimierz Gaj, Franciszek Knop Streszczenie Przedstawiono wyniki badań poligonowych odsiarczania spalin w placku filtracyjnym. Badano zależność skuteczności usuwania SO 2 od proporcji wapń/siarka dla różnych wilgotności względnych spalin. Stwierdzono, że aby uzyskać skuteczność usuwania SO 2 powyżej 80 %, należy zapewnić wilgotność względną spalin powyżej 70 %, stosunek Ca/S większy od 1.3 i różnicę temperatur termometru suchego i mokrego spalin nie większą niż 7 K. Końcowym efektem badań jest określenie technologicznych wskaźników bilansowych i kosztowych oraz opracowanie wytycznych układu sterowania i kontroli dla instalacji przemysłowych. Słowa kluczowe: spaliny, odsiarczanie, wilgotność, sorpcja, filtr. ENHANCEMENT OF FLUE GAS DESULFURIZATION IN THE FILTER CAKE Kazimierz Gaj, Franciszek Knop Summary This paper includes the results of experiments made under real conditions which concerned of flue gas desulfurization in the filter cake. Relationship between efficiency of SO 2 removal and mass proportion calcium/sulphur was investigated for some different relative moisture contents. The conclusion is, that it is necessary to assure a relative moisture content more then 70 %, the Ca/S ratio greater then 1.3 and an approach-to-saturation less then 7 K to obtain the efficiency of desulfurization above 80 %. The finally effect of this work is definition of some balance design indexes and elaboration of some principles of automatic regulation system for industrial plants. Key words: flue gases, desulfurization, moisture, sorption, filter.

2 WPROWADZENIE Zgodnie z podpisanym przez Polskę II Protokołem Siarkowym do roku 2010 powinien nastąpić spadek emisji SO 2 z obecnych ok. 2.6 mln ton [1] do ok. 1.4 mln ton. Aby dotrzymać podjęte zobowiązania, Rozporządzeniem Ministra Ochrony Środowiska, Zasobów Naturalnych i Leśnictwa z dnia r., w sprawie ochrony powietrza przed zanieczyszczeniem, od r. wprowadza się dla instalacji istniejących zaostrzone normy emisji SO 2, NO x i pyłu powstających w procesach energetycznego spalania paliw a od r. - obniżone dopuszczalne stężenia SO 2 w powietrzu atmosferycznym. Działania podejmowane w kraju, mające na celu sprostanie tym wymogom, zasadniczo zmierzają w dwóch kierunkach - z jednej strony stosuje się coraz powszechniej odsiarczanie węgla (który wskutek krajowej struktury paliw energetycznych długo jeszcze będzie paliwem dominującym w polskiej energetyce) a z drugiej - odsiarczanie spalin. Wśród wdrażanych metod usuwania SO 2 ze spalin jak dotąd dominują wyraźnie, zwłaszcza w wielkiej energetyce zawodowej (elektrownie w Bełchatowie, Opolu, Jaworznie), mokre metody wapniowo-gipsowe, zapewniające wysoką skuteczność, ale kosztowne i uciążliwe w eksploatacji. Główne niedogodności tej metody - zarówno eksploatacyjne, jak i ekologiczne - związane są z przygotowaniem i dozowaniem zawiesiny sorbentu oraz gospodarką ściekowo-osadową. Jednak w sytuacji, gdy wymagana jest skuteczność odsiarczania powyżej 90 % i gdy istnieje realna szansa na zagospodarowanie powstającego w procesie gipsu syntetycznego, stosowanie tych metod wydaje się celowe. Dla mniejszych obiektów 1, stojących przed koniecznością ograniczenia emisji SO 2, technologia ta może okazać się zbyt kosztowna i uciążliwa w eksploatacji oraz trudna do realizacji w warunkach ograniczonej powierzchni pod budowę instalacji. Podejmować one będą zatem działania zmierzające do zmiany rodzaju lub poprawy jakości spalanego paliwa i/lub budowy tańszych i bardziej zwartych instalacji. Jednym z nowszych trendów w technice oczyszczania spalin jest przedstawiona w niniejszej pracy odmiana półsuchej metody odsiarczania, polegająca na wtrysku suchego sorbentu do uprzednio skondycjonowanych spalin i chemisorpcji SO 2 na uaktywnionym placku filtracyjnym [2,3,4,5]. Pozwala ona na równoczesne, wysokoskuteczne odsiarczanie i odpylanie spalin w jednym urządzeniu, jest prosta i mało uciążliwa w eksploatacji dzięki wyeliminowaniu go- 1 obiekty energetyki przemysłowej, z których emisja SO 2 stanowi w Polsce ok. 30 % emisji tej substancji z obiektów energetyki zawodowej [1]

3 spodarki zawiesinowo-osadowej (produkt jest w postaci suchego proszku, który można transportować pneumatycznie) i nie wymaga dużej powierzchni terenu pod zabudowę. W porównaniu do metod mokrych, pozwala na osiąganie podobnych skuteczności odsiarczania (do 90 %), nie powodując emisji ścieków ani problemów z zarastaniem instalacji i blokowaniem dysz. Cechuje się przy tym niższymi kosztami inwestycyjnymi i eksploatacyjnymi. W porównaniu do metod suchych pozwala na uzyskanie znacznie wyższych skuteczności odsiarczania przy zbliżonych kosztach eksploatacyjnych. W porównaniu do metod półsuchych-zawiesinowych nie wymaga oddzielnego reaktora i odpylacza (oba procesy zachodzą w jednym urządzeniu), układu przygotowania i dozowania zawiesiny ani specjalnych zabezpieczeń przed zarastaniem instalacji osadami. Łączy ona zatem zalety metody półsuchej-zawiesinowej i suchej - proces odsiarczania następuje głównie w fazie mokrej (co gwarantuje większą jego intensywność), natomiast sorbent i produkty reakcji są w stanie suchym (co czyni metodę mniej uciążliwą w eksploatacji). Wadą metody jest wytwarzanie trudnych do zagospodarowania odpadów (podobnie jak w przypadku metod suchych i półsuchych-zawiesinowych) oraz konieczność precyzyjnego sterowania stanem termodynamicznym spalin. W Instytucie Inżynierii Ochrony Środowiska Politechniki Wrocławskiej opracowano podstawy teoretyczne przebiegu procesu odsiarczania wg wyżej opisanej metody [6,7,8], przeprowadzono badania procesu w skali laboratoryjnej i półtechnicznej [7,9] oraz wykonano badania poligonowe modelowej instalacji, podłączonej do czopucha kotła WR-10, udostępnionego przez Zakłady Zmechanizowanego Sprzętu Domowego POLAR we Wrocławiu [10,11]. Wyniki tych badań posłużyły za podstawę niniejszej pracy.

4 INSTALACJA DOŚWIADCZALNA Ideę metody przedstawiono na rys. 1. SPALINY POWIETRZE CHŁODZĄCE KOLUMNA NAWILŻAJĄCA WYMIENNIK CIEPŁA ZASOBNIK CA(OH) 2 FILTRO- REAKTOR MIESZANINA SPALIN OCZYSZCZONYCH I POWIETRZA K O M I N WODA POWIETRZE OGRZANE PRODUKT STAŁY JEDNOCZESNEGO ODPYLANIA I ODSIARCZANIA SPALIN Rys. Błąd! Nieznany argument przełącznika.. Schemat ideowy metody równoczesnego odpylania i odsiarczania spalin Spaliny podlegały wstępnemu nawilżeniu i schłodzeniu w kolumnie nawilżającej w wyniku odparowania rozpylonych za pomocą dyszy pneumatycznej kropel wody. Dalsze schłodzenie spalin - do temperatury bliskiej punktowi rosy - uzyskiwano w przeponowym, płaszczoworurowym wymienniku ciepła typu spaliny-powietrze. Tak skondycjonowane gazy wprowadzane były do filtroreaktora, którego rolę pełnił pulsacyjny filtr workowy z poliestrową przegrodą filtracyjną. Do przewodu spalin przed filtroreaktorem dozowano wapno hydratyzowane w postaci suchego, pylistego proszku. Powietrze chłodzące z wymiennika służyło do wygrzewania dwupłaszczowej komory filtroreaktora (zapobiegając kondensacji wilgoci na jego ściankach i stabilizując pole temperatur w przestrzeni zawartej wokół placka filtracyjnego) i do podgrzania oczyszczonych spalin przed ich wprowadzeniem do komina. Proces odsiarczania zachodził zasadniczo w warstwie filtracyjnej filtra workowego, w którym odbywało się równoczesne wytrącanie suchych produktów reakcji i popiołu lotnego. Dzięki zjawisku kondensacji kapilarnej pary wodnej w mikroporach i mezoporach dozowanego sorbentu i popiołu lotnego następowało ekstrahowanie z nich alkaliów oraz usuwanie SO 2 na drodze absorpcji z reakcją chemiczną. Placek filtracyjny pozostawał przy tym w stanie wystarczająco suchym, nie utrudniając regeneracji przegrody filtracyjnej. Warunkiem efektywnego i

5 bezawaryjnego przebiegu procesu było utrzymanie oczyszczanych gazów w odpowiednim stanie termodynamicznym, tj. nieco powyżej punktu rosy. METODYKA, ZAKRES I WARUNKI PROWADZENIA BADAŃ Cykl badawczy poprzedzano wygrzaniem komory filtroreaktora - za pomocą powietrza ogrzanego w wymienniku - do założonej temperatury procesu odsiarczania, przepuszczając w tym czasie spaliny obejściem, po czym kierowano je do filtroreaktora i rozpoczynano (nieobligatoryjnie) ich nawilżanie. Wilgotność względną spalin kontrolowano korygując ilość rozpylanej wody i/lub ilość powietrza przepływającego przez wymiennik. Po ustaleniu się założonych warunków termodynamicznych, uruchamiano dozownik sorbentu. Celem ustawienia żądanej wydajności dozownika określano strumień masowy siarki na wlocie do instalacji (na podstawie wskazań analizatora MADUR GA-30 i pomiaru objętościowego strumienia spalin) oraz zakładano - zgodnie z programem eksperymentu - stosunek masowy Ca/S. Pożądany strumień masowy dozowanego sorbentu wyznaczano wg wzoru: msorb A = u S L Ca S sp / (1) gdzie: A - przelicznik stechiometryczny Ca/S na Ca(OH) 2 /SO 2, (A = 0.925) u - udział Ca(OH) 2 w handlowym wapnie hydratyzowanym, (u = 0.88). Po wyregulowaniu i ustaleniu zadanych warunków pomiarowych pobierano próbki spalin do analizy. Stężenie dwutlenku siarki określano za pomocą zmodyfikowanej metody kolorymetrycznej z p-rozaniliną [12]. Pełny cykl badawczy trwał ok. 10 godzin. Do oceny pracy instalacji stosowano syntetyczny wskaźnik ilościowy w postaci skuteczności usuwania SO 2. Zakres zmienności parametrów mierzonych przedstawiono w tabeli 1. Tabela Błąd! Nieznany argument przełącznika.. Zakresy zmian badanych parametrów Ca/S ϕ X L sp S T T sp T 1 T 2 P v f - % g/kg m n 3 /h g/m n 3 K K K K Pa m/s od do

6 Kontrolowano również skład chemiczny spalin pobieranych z czopucha, w tym zawartość tlenu (14 17 %), dwutlenku węgla (4 8 %) i pary wodnej (2 3.5 %), stężenia zanieczyszczeń zawartych w spalinach, w tym stężenie NO x ( mg/m 3 n ), CO ( mg/m 3 n ) i pyłu ( mg/m 3 n ) oraz zawartość pierwiastków alkalicznych w popiele lotnym, która przeciętnie wynosiła: Ca %, Mg %, Na %, K %. W trakcie badań kocioł zasilany był miałem węglowym o wartości opałowej ok kj/kg, zawierającym ok. 20 % popiołu, 0.7 % siarki i 10 % wilgoci. Jako sorbent stosowano wapno hydratyzowane wyprodukowane przez cementownię Górażdże, o gęstości właściwej 2230 kg/m 3, powierzchni właściwej ok. 15 m 2 /g i średnicy Sautera ok. 38 µm. WYNIKI BADAŃ Wpływ proporcji Ca/S i wilgotności względnej spalin na skuteczność usuwania SO 2 Wyniki badań, uzyskane dla dwóch średnich wilgotności względnych spalin (ϕ = 20 % i ϕ =70 %), przedstawiono na rys. 2 i 3. Skuteczność odsiarczania, % ϕ śr = 20 % 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 Ca/S Rys. Błąd! Nieznany argument przełącznika.. Skuteczność odsiarczania w funkcji Ca/S dla wilgotności względnej spalin 20 %

7 Skuteczność odsiarczania, % ϕ śr = 70 % ,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2 2,4 2,6 Ca/S Rys. Błąd! Nieznany argument przełącznika.. Skuteczność odsiarczania w funkcji Ca/S dla wilgotności względnej spalin 70 % Uzyskane wyniki badań świadczą o możliwości osiągnięcia skuteczności odsiarczania ok. 90 % przy wilgotności względnej spalin nie mniejszej niż 70 %. Niezbędne jest jednak do tego zapewnienie stosunku Ca/S na poziomie ok. 2.4 (co odpowiada stosunkowi molowemu Ca(OH) 2 do SO 2 ok. 1.9). Przy tej samej wilgotności skuteczność 85 % można osiągnąć już dla Ca/S = 1.6 (czyli stosunku molowego ok. 1.3). Zbiór uzyskanych wyników badań dla ϕ = % i Ca/S = pozwolił na ich uogólnienie metodą regresji do postaci wielomianu [11]: 3 2 ϕ ( Ca / S) ϕ ( Ca / S) ϕ ( Ca / S) η = (2) Błąd względny aproksymacji wyników eksperymentu równaniem (2) nie przekracza 14 % z prawdopodobieństwem 95 % a R 2 = Przy znanej wilgotności względnej spalin i stężeniu SO 2 na wlocie do instalacji uzyskana zależność pozwala na wyznaczenie pożądanej dozy wapna hydratyzowanego dla dowolnej (ale niższej od 90 %), założonej skuteczności odsiarczania.

8 Wpływ różnicy temperatur suchego i mokrego termometru na skuteczność usuwania SO 2 Wyniki badań uzyskane dla średniego stosunku Ca/S = 1.3 przedstawiono na rys Skuteczność odsiarczania, % (Ca/S) śr = Różnica temperatur ( T ), K Rys. Błąd! Nieznany argument przełącznika.. Skuteczność odsiarczania w funkcji różnicy temperatur termometru suchego i mokrego spalin Wyniki przeprowadzonego eksperymentu (dla zakresu T = K i Ca/S 1.3) wykazały, że skuteczność odsiarczania rośnie liniowo ze spadkiem T zgodnie z równaniem regresji liniowej: η = T (3) Błąd względny aproksymacji wyników badań równaniem (3) nie przekracza ± 8 % z prawdopodobieństwem 95 % a R 2 wynosi Skuteczność powyżej 80 % można uzyskać dla temperatury spalin wyższej od ich temperatury mokrego termometru o nie więcej niż 5 7 K. W tym zakresie T nie wystąpiły problemy z regeneracją tkaniny filtracyjnej.

9 WNIOSKI Wyniki badań potwierdziły, że czynnikiem limitującym efektywny przebieg odsiarczania spalin w badanej metodzie jest ich stan termodynamiczny, a ściślej stosunek prężności pary wodnej zawartej w spalinach do prężności tej pary w stanie nasycenia wilgocią oraz stosunek Ca/S. Badania instalacji pilotowej, przeprowadzone w warunkach długookresowego, poligonowego eksperymentu, wykazały możliwość uzyskania 90 % skuteczności odsiarczania przy nadmiarze stechiometrycznym wodorotlenku wapnia w stosunku do dwutlenku siarki ok. 1.9 i przy wilgotności względnej spalin ϕ = 70 %. Skuteczność powyżej 80 % można uzyskać w analizowanej metodzie prowadząc proces od 5 do 7 K powyżej temperatury termometru mokrego spalin, przy stosunku Ca/S = 1.3. Niezbędne jednak jest do tego zapewnienie równomiernego i ciągłego wygrzewania komory filtroreaktora. Stopień dyspozycyjności instalacji przemysłowej, zbudowanej na bazie opisanych w niniejszej pracy założeń i uzyskanych wyników badań, uzależniony będzie od zastosowanego systemu automatycznej regulacji, sterowania i kontroli. W ramach tego systemu należy przewidzieć automatyczną rewersję tkaniny filtracyjnej, sterowaną spadkiem ciśnienia spalin w filtroreaktorze w zakresie Pa, zautomatyzowanie czyszczenia kolumny nawilżającej i wymiennika ciepła, sterowane spadkiem ciśnienia gazu w tych urządzeniach, regulację wilgotności placka filtracyjnego, np. poprzez pomiar konduktancji i sterowanie ilością powietrza chłodzącego i/lub ilością cieczy nawilżającej oraz płynną regulację wydajności dozownika sorbentu w zależności od stężenia wlotowego SO 2. 3 Przeciętne wskaźniki bilansowe, jakie uzyskano dla 1000 m n badanych spalin wynoszą: zużycie sorbentu kg, zużycie wody m 3, zużycie sprężonego powietrza m 3 n, ilość produktów odsiarczania kg. Aby usunąć 1 kg SO 2 z modelowych spalin powstałych ze spalenia węgla o zawartości siarki 1 % trzeba zużyć ok. 3.9 kwh energii elektrycznej a pełen koszt eksploatacyjny równoczesnego odpylania i odsiarczania spalin w warunkach polskich analizowaną metodą wynosi ok zł (tj. ok. 0.5 DEM) w przeliczeniu na kilogram usuniętego SO 2.

10 SPIS LITERATURY 1. Informacje i opracowania statystyczne GUS - Ochrona Środowiska 1996, W-wa, Meloch H., Kabsch P., Rosicki M. (1994); Nowa metoda jednoczesnego wysokoskutecznego odpylania i quasi-suchego odsiarczania spalin, Materiały II Sympozjum Ograniczenie Emisji Zanieczyszczeń do Atmosfery POL-EMIS 94, Szklarska Poręba 1994, Meloch H., Kabsch P. (1994); Sposób oczyszczania gazów odlotowych z pyłów i zanieczyszczeń gazowych - zgłoszenie patentowe nr P Materiały firmy FLÄKT (1988), Ochrona Powietrza, 2, Ahlbeck J.R., Rönnblad S. (1994); Removal of sulfur dioxide in a fabric filter, J.Air & Waste Menage Assoc., 44, Meloch H., Kabsch P., Robaszkiewicz J., Knop F. (1993); Podstawy technologii równoczesnego odpylania i odsiarczania spalin ze spalania węgla w kotłach rusztowych, Raport Inst. Inż. Ochr. Środ. PWr, SPR nr 50/ Meloch H. z zespołem (1994); Jednoczesne odpylanie i odsiarczanie spalin metodą suchej sorpcji w placku filtracyjnym. Etap I, Raport Inst. Inż. Ochr. Środ. PWr, SPR nr 35/ Kabsch P., Meloch H., Kaczmarski L. (1991); Kondensorpcja - nowy proces oczyszczania gazów, Arch. Ochr. Środ., 1, Cybulska H., Gaj K., Knop F., Mech J., Robaszkiewicz J. (1995); Jednoczesne odpylanie i odsiarczanie spalin metodą suchej sorpcji w placku filtracyjnym. Etap II, Raport Inst. Inż. Ochr. Środ. PWr, SPR nr 48/ Knop F., Gaj K., Cybulska H., Mech J., Robaszkiewicz J. (1996); Jednoczesne odpylanie i odsiarczanie spalin metodą suchej sorpcji w placku filtracyjnym, Etap III, Raport Inst. Inż. Ochr. Środ. PWr, SPR nr 57/ Gaj K., Knop F. (1997); Badania efektywności odsiarczania spalin metodą quasi suchej sorpcji w placku filtracyjnym, komunikat zgłoszony na V Międzynarodowe Sympozjum Zintegrowane systemy zapobiegania emisji zanieczyszczeń, Międzyzdroje, 1997 r. 12. Kaczmarski K., Kabsch P., Meloch H. (1988); Przystosowanie metody oznaczania dwutlenku siarki w mieszaninie gazowej (z p-rozaniliną) do praktyki badawczej, Ochrona Powietrza, 4,

11 Wykaz oznaczeń Ca/S - stosunek masowy dozowanego wapnia do siarki obecnej w spalinach, Ca / S = L sp - strumień objętościowy spalin na wlocie do instalacji, m 3 n /h mca ms m Ca, m S, m sorb - strumienie masowe wapnia, siarki i sorbentu, kg/s P - spadek ciśnienia spalin w filtroreaktorze, Pa R - współczynnik korelacji S - stężenie SO 2 w spalinach na wlocie do instalacji, kg/m n 3 T sp - temperatura spalin na wlocie do instalacji, K T 1 - temperatura spalin za wymiennikiem ciepła, K T 2 - temperatura spalin między kolumną nawilżającą a wymiennikiem, K T - różnica temperatur suchego i mokrego termometru spalin, K t s, t m - temperatury suchego i mokrego termometru spalin, K v f - prędkość filtracji, m/s X - zawartość wilgoci w spalinach na wlocie do filtroreaktora, g/kg suchych spalin η - skuteczność odsiarczania, % ϕ - wilgotność względna spalin na wlocie do filtroreaktora, % Ważniejsze indeksy: m - dotyczy temperatury mokrego termometru s - dotyczy temperatury suchego termometru S - dotyczy siarki sp - dotyczy spalin n - dotyczy warunków normalnych, tj. temperatury 273 K, ciśnienia 1013 hpa