Kadm i rtęć w produkcji energii z paliw stałych w energetyce rozproszonej. Krystyna Kubica, Politechnika Śląska, Gliwice

Transkrypt

1

2 Kadm i rtęć w produkcji energii z paliw stałych w energetyce rozproszonej Krystyna Kubica, Politechnika Śląska, Gliwice

3 Plan prezentacji mała energetyka rozproszona, SCIs technologie, techniki spalania paliw stałych w SCIs zachowanie rtęci w procesie spalania zawartość rtęci w paliwie - wskaźniki emisji emisja rtęci w EU z SCIs czystsze technologie spalania paliw stałych w sektorze mieszkaniowym emisja rtęci i kadmu z SCIs (sektor komunalny i mieszkaniowy i w Polsce) moŝliwości ograniczenia emisji Hg i Cd z sektora mieszkaniowego

4 Produkcja energii, spalanie paliw instalacje LCP, SCIs Instalacje spalania duŝej mocy LCP >50MWth Zasady: zapobiegania zanieczyszczeniom zrównowaŝonego rozwoju Dyrektywy: NR 96/61 /WE, IPPC w/s zintegrowanego zapob. zaniecz. NR 96/62/ EC w sprawie oceny i kontroli jakości powietrza Nr 80/EC w sprawie ograniczenia emisji do powietrza Nr 81/EC w sprawie górnej granicy krajowych emisji do powietrza niektórych substancji Instalacje spalania małej mocy SCIs 50MWth Dyrektywy???: Brak uregulowań UE ZróŜnicowana moc: średnie (M) 50-20MWth małe (M) 20-1MWth bardzo małe (VS) < kilku kw - 1MWth RóŜne sektory (komunalny, mieszkaniowy, rolnictwo, przemysł), róŝne technologie, róŝne paliwa Uwarunkowania: Ekonomia!!! Technika Ekologia BAT i/lub Dobre Praktyki!!

5 Organizacja procesu spalania Technologie, techniki spalania organizacja procesu spalania (wielkość ziarna, homogenizacja mieszanki paliwowej i tlenu, temperatura, czas przebywania w strefie utleniania) pyłowe (w strudze) fluidalne w warstwie (złoŝe stacjonarne) - SCIs Zanieczyszczenia: PICs - CO, TOC, VOCs, NVOCs, WWA, PCDD/Fs (toksyczne zanieczyszczenia organiczne), pył TSP, PM2.5 i PM10, metale cięŝkie (Hg, Cd, Pb, As) oraz NOx Właściwości fizykochemiczne paliwa C, H, N, S, Cl,O,F popiół - metale cięŝkie Zanieczyszczenia: pył TSP (PM10, PM2.5), metale cięŝkie (Hg, Cd, Pb, As, Ni, V..), SOx, NOx, PCDD/Fs Sposoby redukcji emisji Pierwotne proces, paliwo Wtórne technologie oczyszczania spalin, procesy redukcji (katalizatory, dopalanie itp.)

6 Strategia tematyczna czystego powietrza (Clean Air For Europe CAFE) Komunikat Komisji dla Rady i Parlamentu Europejskiego Bruksela, COM(2005) Instalacje spalania małej mocy (SCIs) < 50 MWth IPPC dla źródeł o mocy <50 MWth? dyrektywa eko wzoru dla SCIs (normy techniczne, standardy emisji, jakości paliwa) EuPs Eco-design DYREKTYWA ekowzoru (2005/32/EC etykietowanie energii, energetyczna efektywność budynków z uwzględnieniem audytu instalacji produkcji energii; DYREKTYWA 2002/91/EC z dnia 16 grudnia 2002 r. dotycząca jakości energetycznej budynków Projekty badawcze SCIs DGTREN: Cost and environmental effectiveness of reducing air pollution for small-scale combustion installations - AEATechnology UK, Costs and environmental effectiveness of options for reducing mercury emissions to air from small-scale combustion installations - AEATechnology UK, NILU Polska Small Combustion Installations; Draft of Chapter for Emission Inventory Guidebook ( ) - Kubica K., Paradiz B., Dilara P., Klimont Z. i inni Preparatory Studies for Eco-design Requirements of EuPs (II) [TREN/D3/ /Lot15/2007/S ] ; S. Mudgal, L. Turunen BIO IS France, R. Stewart M. Woodfield, AEAT UK, K. Kubica, R. Kubica ITT SUT POLAND

7 SPALANIE w SCIs emisja rtęci w krajach UE 56% 28% SO2 Power sector SCIs Other sources 16% NOx Nat totals Power sector SCIs PM10 Emission (tonnes) % 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% Non Ind. SCIs Ind. SCIs LCP Emission from LCP and SCIs; Pye S. at al.. AEAT/ED48256/Draft Final Report PL ES DE FR IT RO GB TR BG SK GR BE CZ CH IE CY DK PT AT HU SE FI NO SL NL LT EE LU LV Country Emission of Hg; Kubica K., Kubica R., Pacyna J., NILU Polska, Brussels, September 2005

8 Emisja Hg z SCIs w UE Dystrybucja emisji Hg w róŝnych sektorach SCIs w EU25 11% 21% 3% Projected Prognoza % contribution to mercury emisji emission Hgtotals z by SCIs fuel type ze (SCIs) spalania róŝnych paliw 2002 Solid_fuels Liquid_Fuels 26% Gaseous_fuel Biomass 3% 9% 62% % 36% Industrial Comm_Inst Residential AFF 65% 57% 18% 17% 5% 13% 8% Kubica K., Kubica R., Pacyna J., NILU Polska; Brussels, September, 2005

9 Czystsze technologie, redukcja emisji oraz redukcja zuŝycia energii pierwotnej czystsze paliwa stałe: zawartość popiołu, siarki, metali cięŝkich (min. As, Cd, Cr, Cu, Hg, Ni, Pb, itd.), uziarnienie (dobór do technologii spalania) Technika spalania dolnego wcałej objętości złoŝa. SPALINY Warstwa paliwa A Piecokuchnie Piece ceramiczne Piece stałopalne Kotły komorowe Technika spalania górnego wczęści objętości złoŝa. SPALINY C czystsze technologie spalania w warstwie: maksymalizacja sprawności energetycznej (pierwotne metody) minimalizacja obciąŝenia dla środowiska (min. emisji: CO, NOx, SOx, TOC, oczyszczanie spalin (wtórne metody) POWIETRZE Technika spalania dolnego wczęści objętości złoŝa. Warstwa Warstwa paliwa paliwa SPALINY Kotły komorowe POWIETRZE B Warstwa paliwa DOZOWANIE PALIWA Kotły retortowe Kotły komorowe miałowe POWIETRZE NATURALNYDOPŁYW Maksymalizacja przetworzenia energii chemicznej paliwa w energię uŝyteczną, minimalizacja obciąŝenia dla środowiska!!! K. Kubica, ITC Politechnika Śląska; Węgiel w komunalnej polityce eko-energetycznej, Zabrze, marzec 2008

10 Przemiany rtęci w procesie spalania reakcje chemiczne F. Frandsen, K. Dam-Johansen, P. Rasmussen, Prog. Energy Combustion Science 20 (1994) Reakcja HgO(g) Hg 0 (g) + 2O 2 (g) HgCl 2 (g) + H 2 O(g) HgO(g) + 2HCl(g) Temperatura spalin, o C 320 b, 680 c 430 c HgSO 4 (s) HgO(g)+SO 2 (g)+ 1 / 2 O 2 (g) 320 HgO(s) HgO(g) HgSO 4 (s) +Cl 2 HgCl 2 (g)+so 2 (g)+o 2 (g) 170 a 110 c a- wykluczając obecność HgSO4(s) w modelu; b- przy braku chloru; c- w obecności chloru; (s)-postać stała; (g)-postać gazowa

11 Specjacja rtęci dla paliw stałych instalacjach małej mocy w energetyce rozproszonej Przewidywana specjacja rtęci w spalinach ze spalania węgli energetycznych U.S.-EPA R&D, Prep. by NRMRL;,,Control of mercury emissions from coal-fired electric utility boilers ; Office of Air Quality Planning and Standards

12 Zawartość rtęci w paliwie - wskaźniki emisji Paliwo Wegiel kamienny Zawartość Hg mg/kg (0,211) Wskaźnik emisji mg/gj 0,39 24,34 (5,35) Koks <0,04 <1,5 Paliwo bezdymne <0,03 <1,0 Drewno 0,013-0,071 0,9 4,4 Kora 0,08 0,8 5,0 50,0 Słoma 0,018 0,059 1,0 9,0 S Pye, G. Jones, R. Stewart, M. Woodfield, K. Kubica, R. Kubica, J. Pacyna; Costs and environmental effectiveness of options for reducing mercury emissions to air from small-scale combustion installations; AEAT/ED48706/Final report v2

13 Emisja Hg z SCIs w UE Hg contents mg/mg Sample no. Zawartość rtęci w polskim węglu S Pye, G. Jones, R. Stewart, M. Woodfield, K. Kubica, R. Kubica, J. Pacyna; Costs and environmental effectiveness of options for reducing mercury emissions to air from small-scale combustion installations; AEAT/ED48706/Final report v2

14 Wskaźniki emisji rtęci specjacja emitowanej rtęci Hg Hg 0 Niepewność Paliwo Instalacja spalania (gaz.) Hg+2 (zaadsorb. Pomiaru, % pyle); Hg PM Piece / Kominki Kotły ręcznie zasilane paliwem Węgiel Kotły automatycznie zasilane paliwem Kotły ręcznie zasilane paliwem Biomasa Kotły automatycznie zasilane paliwem Kubica K., Paradiz B., Dilara P., Klimont Z., Kakareka S., Dębski B.; Small Combustion Installations; Chapter for Emission Inventory Guidebook ; UNECE Task Force on Emission Inventories and Projections, (2006), pp. B 1-96;

15 Energetyka rozproszona małej mocy w Polsce Emisja Hg i Cd Spalanie poza przemysłem sektor komunalny i mieszkaniowy Gospodarstwa domowe Cd [kg] Hg [kg] - 9,0 mln ton ( TJ) węgiel kam ,0 936,0-0,25 mln ton (2 566 TJ) węgiel brun ,1 11,1 - ( TJ) drewno opał. 102,5 41,0 Usługi - 1,21 mln ton ( TJ) węgiel kamienny 1 632,2 246,6 Leśsnictwo, rolnictwo i inne - 1,6 mln ton ( TJ) węgiel kamienny 3 036,8 166,4-0,25 mln ton (2 486 TJ) węgiel brun , Drewno opałowe ( TJ) 19,0 7,6 Sumarycznie sektor komunalny i mieszkaniowy Cd ,1 kg; 65,5% emisji krajowej Hg 1 472,8 kg; 10,1 % emisji krajowej RAPORT Krajowa Inwentaryzacja..; KOBIZE Warszawa luty 2011

16 Zawartość rtęci w paliwie dane pomiarowe Paliwo Wegiel kamienny Zawartość Hg mg/kg Zawartość Cd mg/kg 0,15 0,335 Pelety/drewno liściaste tereny miejskie 0,01/0,015-0,033 0,013/0,5-8,5 Słoma 0,011 0,014 0,24 0,35 Opracowanie technologii niskoemisyjnego spalania paliw stałych węgla i biomasy, w kotłach małej mocy oraz strategii ich wdraŝania, K.Kubica i inni, Raport ITC Politechnika Śląska nr PBR-16/RIE-6/2007 Proj. Nr R

17 Emisja rtęci w paliwie oszacowanie w oparciu o pomiary Emisja rtęci w kotłach małej mocy w 2007 roku E m isja, kg Emisja rtęci w kotłach małej mocy przy wskaźniku 4 mg/gj Rok Kotły ręczne Kotły retortowe Emisja, kg Emisja, kg 900,0 800,0 700,0 600,0 500,0 400,0 300,0 200,0 100,0 0,0 900,0 800,0 700,0 600,0 500,0 400,0 300,0 200,0 100,0 0,0 Kotły ręczne, 4 mg/gj Kotły retortowe, 0,64 mg/gj Wskaźnik emisji Emisja rtęci w kotłach małej mocy w 2008 roku Kotły ręczne, 4 mg/gj Kotły retortowe, 0,64 mg/gj Wskaźnik emisji Opracowanie technologii niskoemisyjnego spalania paliw stałych węgla i biomasy, w kotłach małej mocy oraz strategii ich wdraŝania, K. Kubica i inni, Raport ITC Politechnika Śląska nr PBR-16/RIE-6/2007 Proj. Nr R

18 MoŜliwości ograniczenia emisji Hg, Cd uciepłownienie zintegrowane sieci ciepłownicze, wykorzystanie nadmiarowego ciepła substytucja paliwowa węgiel - gaz, olej, OŹE produkcja, standaryzacja i certyfikacja kwalifikowanych sortymentów paliw węglowych (kompaktowane paliwa węglowe, biomasowe), zawartość popiołu, zawartość Hg czystsze technologie spalanie paliw stałych redukcja Cd, sumarycznie Hg, ale wzrost Hg pierwiastkowej w formie gazowej stosowanie urządzeń oczyszczających spaliny w instalacjach powyŝej 1 MWth (docelowo od 0,1 MWth) dobre praktyki produkcji energii cieplnej w sektorze mieszkaniowym, edukacja, wdroŝenie zintegrowanego systemu zagospodarowania odpadów komunalnych!! Niezbędne wsparcie mechanizmami finansowymi, programy ograniczania niskiej emisji (PONE)!

19 Dziękuję za uwagę!