Możliwości ograniczenia emisji zanieczyszczeń z instalacji spalania paliw stałych małej mocy w Polsce w kontekście

Możliwości ograniczenia emisji zanieczyszczeń z instalacji spalania paliw stałych małej mocy w Polsce w kontekście implementacji Konwencji LRTAP Seminarium Konwencja LRTAP i kierunki dalszego jej rozwoju Warszawa, 21 marca 2011 r Dr inż. Krystyna Kubica, Politechnika Śląska Krystyna.kubica@polsl.pl

Spis treści Zanieczyszczenia ze spalania paliw stałych w SCIs Historyczne zmiany emisji w kontekście rozwoju technologii Sposób charakteryzowania jakości SCIs ekoprodukt Analiza propozycji EGTI opcji GWE emisji PM z SCIs paliw stałych w kontekście możliwości jej ograniczenia w Polsce Podsumowanie

ENERGIA - emisja zanieczyszczeń, aerozole, pyłowo-gazowe Zanieczyszczenia monitorowane międzynarodowe zobowiązania EMEP LTRAP, Genewa 1976; Protokoły NH3 SO2 NO2 jako suma NO2, N2O i NO TSP; PM10, PM2.5 HMs: As, Cd, Cr, Cu, Hg, Ni, Pb, Se, Zn PCDDs/Fs WWA: BaP, BbF, BkF, I_P CO (CO2 IPPC gaz cieplarniany) NMVOCs benzo(j)fluoranten, benzo(a)antracen, dibenzo(a,h)antracen i fluoranten; As, Cd, Ni, and PAHs in ambient air; DIR. EC

Spalanie paliw, zwłaszcza stałych techniką złoża stacjonarnego w instalacjach małej mocy (< 1MW) jest źródłem emisji toksycznych zanieczyszczeń forma AEROZOLU Tlenek węgla- CO Ditlenek węgla - CO 2 Ditlenek siarki - SO 2 Tlenki azotu - NOx produkty niecałkowitego spalania produkty wtórnych reakcji w fazie gazowej Pył (TSP; PM2,5, PM10) Metale ciężkie HM; Hg, Pb, Cd, As, Cu i inne Zanieczyszczenia organiczne (TZO POPs; VOCs, NMVOCs): wielopierscieciowe węglowodory aromatyczne (BaP; 16 PAHs wg EPA) Dioksyny i furany (PCDD/Fs; POPs TZO) CH 4, CnHm Benzen i jego homologi (BTX) Aldehydy and ketony Fenol, alkilowe pochodne Heterocykliczne związki N, S

Emisje zanieczyszczeń z SCIs Sektor komunalny i mieszkaniowy emisja o CO 52% o TSP 40% o PM10 45% o PM2,5 47% o NMVOCs 13% oσ4 Σ 4 WWA 87% o PCDD/PCDFs 47% 8,1 mln ton węgla mieszk. 5,7 mln ciepł. 1,3 mln roln. 7,5 mln przemysł ok. 15 mln + 7,5 mln Emisja na tonę węgla -<50kWth Tradycyjny ręcznie zasilany paliwem kocioł o CO 120 kg otsp 7 kg o VOCs (C 3 ) 5,7 kg o 16 WWA wg EPA 0,9 kg oraz odioksyny 23,8 µg I-TEQ ok. 300 µg I-TEQ wsółspalanie odpadów!! o Fenoli 0,86 kg o PAHs (poch. S) 0,014 kg oσsvocs NVOCs (smoliste) 8,8 kg Kubica K. Williams A.; et al. Influence of co-com ; Final Report ERB IC CT98 0503, 2001 Olendrzyński K. i inni; Inwentaryzacja..; lipiec 2007

Cząstki stałe z procesu spalania są kancerogenne! Test kancerogenności /myszy/mg o Badania wykazują, że drobne cząstki stałe są ściśle powiązane ze Dym węglowy 2.1 śmiertelnością oraz hospitalizacją związaną z niewydolnością układu krążenia i oddychania oraz chorobami Bateria koksownicza 2.1 serca Silniki samoch. Diesla 0.1-0.6 Węglowa smoła dachowa 0.6 Silniki sam. Benzynowe 0.1-0.2 Piece olejowe domowe 0.03 o Charakterystyka PM wykazuje współzależność pomiędzy toksycznością a zawartością metali ciężkich oraz obecnością wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych i innych organicznych substancji Dym papierosowy 0.003 WHO Air Quality Guidelines for Europe, Second edition. Copenhagen, WHO Regional Office for Europe, 2000 (WHO Regional Publications, Lewtas, J. EHP. 1993 European Series, No 91) Health Aspects of Air Pollution with Particulate Matter, Ozone and Nitrogen Dioxide. WHO, Bonn, Germany, 2003

ZESTAWIENIE WARTOŚCI MAKSYMALNYCH STĘŻEŃ 24 GODZINNYCH PYŁU ZAWIESZONEGO PM10 W LATACH 2005-2006 2005 rok stężenie maksymalne 24 godz. 2006 rok stężenie maksymalne 24 godz. Wartość dopuszczalna 24-godzinna [µg/m 3 ] 800 800 526 602 563 537 680 700 700 600 600 500 400 300 200 100 0 500 400 300 200 100 0 Bytom ul. Modrzewskiego 128 386 Chorzów Batory 123 349 Dąbrowa Górnicza ul. 1000-lecia 241 364 Gliwice ul. Mewy 144 346 Katowice ul Kossutha 255 299 Sosnowiec ul. Narutowicza 130 443 Tychy ul. Tołstoja 165 428 Zabrze ul. Skłodowskiej-Curie 272 Rybnik ul. Borki 305 Bielsko Biała ul. Kossak-Szczuckiej 283 199 Częstochowa ul. Baczyńskiego 142 396 Częstochowa ul. Armii Krajowej 124 371 Złoty Potok gm. Janów 53 143 Cieszyn ul. Mickiewicza 177 292 Ustroń ń ul. Sanatoryjna 150 183 Cieszyn ul. Dojazdowa 260 200 Lubliniec Ul. Piaskowa 194 140 Racibórz ul. Studzienna 375 383 Racibórz - Borucin 163 226 Miasteczko Śląskie - Żyglinek 174 222 Miasteczko Śląskie ul. Norwida 219 129 Wodzisław ul. Gałczyńskiego 251 Wodzisław ul. Bogumińska 339 Zawiercie ul. Piłsudskiego 219 252 Zawiercie ul.skłodowskiej-curie 188 Żywiec ul. Słowackiego 289 Żywiec ul. Kopernika 368 415 Jerzy Jamrocha, Andrzej Szczygieł; WIOŚ w Katowicach Ocena jakości powietrza w województwie śląskim w latach 2002-2006; Pszczyna grudzień 2007

Historyczne zmiany sprawności oraz emisji zanieczyszczeń z kotłów węglowych (<500 kwth) K. Kubica, Konferencja NT Kotły małej mocy, Sosnowiec marzec 2010] 700 5000 90 700 4500 600 4000 85 600 500 3500 80 500 E f f i c i e n c y, T S P, N O x 400 300 3000 2500 2000 C O E f f i c i e n c y [ % ] 75 70 65 400 300 T S P [ m g / m 3 ] 200 1500 1000 60 200 100 500 55 100 0 1985-1996 1996-1999 2000-2005 2005-2008 Period [year] 0 50 0 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 Period [year] Efficiency [%] TSP [mg/m3] NOX [mg/m3] CO [mg/m3] Efficiency [Manually fuelled] Efficiency [ Automatic fuelled] TSP [ Manually fuelled] TSP [ Automatic fuelled]

Zmiany emisji CO i pyłu z kotłów opalanych biomasą (<500kWth),1975 2005 [Mudgal S., Turunen L., Roy N., Stewart R., Woodfield M., Kubica K., Kubica R.; Prep. Stud.for Eco-design Req. of EuPs (II) Lot 15 Solid Fuel Small Combustion Installations]

Emisja pyłu i CO z różnych urządzeń grzewczych opalanych węglem i biomasą (<500kW) zależność od rodzaju urządzenia Emisja TSP Emisja CO m g /MJ 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 Kominki drewno Piece drewno Kotły drewno Kotły pelety Kotły ret. węgiel m g /M J 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 Kominki drewno Piece drewno Kotły drewno Kotły pelety Kotły ret. węgiel

Wskaźniki emisji zanieczyszczeń dla instalacji spalania opalanych węglem i biomasą 1. węgiel; 2. biomasa, 3.stopień redukcji dla kotłów automatycznie zasilanych paliwem stałym 4. emisja dioksyn Kubica K., et al.., Chapter of Emission Inventory Guidbook Small Combustion Installations, TFEIP 2004 6000 5000 4000 3000 2000 1000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 CO, VOC, PM [g/gj], PAHs [mg/gj], PCDD/F [ng/gj]. CO, VOC, PM [g/gj], PAHs [mg/gj], PCDD/F [ng/gj]. 0 CO VOC PM (TSP) PAHs PCDD/F 100 99 98 97 96 95 94 93 92 Piece Piece 0 Kotły ręczne CO VOC Kotły aut. PM (TSP) Kotły auto. PAHs PCDD/F 4,0 Total I-TEQ PCDD/F 3,5 CoaI "Julian"BR CoaI "Julian"N Coal "Wujek"N Coal "WUJEK"B Rape Straw Wheat Straw Lump Pine Wood Briquettes of Pine Wood Sawdust 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 Reduction degree [%] ng I-TEQ /Nm3 (recalculated to 10% O2) Briquettes of Sludge and Coal "Julian" Briquettes of Sawdust and Coal "Wujek" Mixture of Sawdust and Coal "WUJEK" Mixture of Rape Straw and Coal "WUJEK" CO VOCs PM TOC PAH B(a)P Various Types of Solid Fuels

Ocena jakości urządzeń grzewczych Graniczne wartości emisji ze spalania paliw stałych według normy PN-EN 303-5 [Kotły grzewcze - Część 5: Kotły grzewcze na paliwa stałe z ręcznym automatycznym zasypem paliwa o mocy nominalnej do 300 kw - Terminologia, wymagania, badania oznakowanie, 17.04. 2002] Graniczne wartości emisji ze spalania paliw stałych według normy PN-EN 303-5 Graniczne wartości emisji Nominalna moc mg/m 3 przy 10 % O 2 * 1 PALIWO cieplna CO OGC* 2 pył w kw Klasa Klasa Klasa 1 2 3 1 2 3 1 2 3 załadunek ręczny do 50 25000 8000 5000 2000 300 150 200 180 150 biopaliwo powyżej 50 do 150 12500 5000 2500 1500 200 100 200 180 150 powyęj150 do 300 12500 2000 1200 1500 200 100 200 180 150 do 50 25000 8000 5000 2000 300 150 180 150 125 paliwo powyżej 50 do 150 12500 5000 2500 1500 200 100 180 150 125 kopalne powyżej150 do 300 12500 2000 1200 1500 200 100 180 150 125 załadunek automatyczny do 50 15000 5000 3000 1750 200 100 200 180 150 biopaliwo powyżej 50 do 150 12500 4500 2500 1250 150 80 200 180 150 powyżej150 do 300 12500 2000 1200 1250 150 80 200 180 150 do 50 15000 5000 3000 1750 200 100 180 150 125 paliwo powyżej 50 do 150 12500 4500 2500 1250 150 80 180 150 125 kopalne powyżej150 do 300 12500 2000 1200 1250 150 80 180 150 125 * 1 odniesiona do spalin suchych, 0 C, 1013 mbar * 2 udział niespalonych substancji organicznych w postaci gazowej wykazany jako węgiel organiczny związany (w spalinach suchych)

Propozycja EGTI opcji GWE pyłu z nowych biomasowych SCIs o mocy < 500kWth, jako standardy produktowe; 13% O2 w spalinach; (a) - Mudgal S., Turunen L., Roy N., Stewart R., Woodfield M., Kubica K., Kubica R.; Prep. Stud.for Eco-design Req. of EuPs (II) Lot 15 Solid Fuel Small Combustion Installations, 1) - 1.BImSchV>31 January 2014, 2) OAPC 01.01.2011 Switzerland, 3) EN 303-5, class 3 WE Średnie WE BAT (a) wartości mg/m 3 Instalacje spalania mg/m 3 70/300 90 (120 ze zbior.w.u.) 60 <50kW 40 (zgazow.) 40 (zamknięte) Kominki 15 z ESP (zamknięte/otwarte) 60 18 z ESP 20 <500kW (kotły zgazow.) 10 z ESP Proponowane opcje GWE (ELV) dla pyłu, mg/m 3 GWE 1 GWE 2 GWE 3 (ELV 1) 1) (ELV 2) 2) (ELV 3) 3) 40 75 110 Piece (opalane drewnem) 40 75 110 Kotły na drewno kawałkowe (zbiornik na ciepłą wodę) (with heat storage tank) 140 <50kW 60 <500 kw Kotły węglowe (ręczne 110 >50kW 20 z ESP zasilanie paliwem) 30 piece 50 kotły 110 <50kW 90 >50 kw 6 (piece) 10 (kotły <50kW; 5 z ESP) 40 <500kW 15 z ESP 20 >50kWth, 60 >50kW zrębki, pelety, 10 z ESP Kotły i piece opalane peletami drzewnymi Kotły węglowe, automat. retortowe Automatyczne instalacje spalania 20 40 110 20 (?) 40 (?) 110 (?) 20 40 110 20 (?) 60 (?) 110 (?) 20 60 110

Graniczne wartości emisji ze spalania paliw stałych według nowelizowanej normy PN-EN 303-5 [Draft prpn-en 303-5, August 2010] *1 odniesiona do spalin suchych, 0 C, 1013 mbar PALIWO Nominalna moc cieplna w kw Graniczne wartości emisji mg/m 3 przy 10 % O 2 * 1 CO OGC pył Klasa Klasa Klasa Załadunek ręczny 3 4 5 3 4 5 3 4 5 Biopaliwo Paliwo kopalne 50 5000 150 150 > 50 do 150 2500 100 150 >150 do 500 1200 100 150 1200 700 50 30 75 60 50 5000 150 125 > 50 do 150 2500 100 125 >150 do 500 1200 100 125 Załadunek automatyczny 3 4 5 3 4 5 3 4 5 Biopaliwo Paliwo kopalne 50 3000 100 150 > 50 do 150 2500 80 150 >150 do 500 1200 80 150 1000 500 30 20 60 40 50 3000 100 125 > 50 do 150 2500 80 125 >150 do 500 1200 80 125

Proponowane opcje GWE TSP z kotłów (i procesowych pieców/kotłów/podgrzewaczy) o mocy, [50]/[70]/[100] kwth 1 MWth Zdecydowanie ostrzejsze wymagania dla instalacji węglowych!! Instalacje spalania Proponowane opcje GWE (ELV) dla pyłu, mg/m 3 GWE 1 GWE 2 GWE 3 (ELV 1) (ELV 2) (ELV 3) WE TSP z instalacji biomasowych może być około 2-krotnie wyższa niż WE TSP z węglowych instalacji dla tej samej kategorii!!? Nieuzasadnione preferencja biomasy z uwagi na TSP (PM2.5 - zdrowie)!! Paliwa stałe [50][70][100] 500 kw Paliwa stałe 500 kw 1 MW Nowe instalacje 30, 16 a) Zwykłe ESP 50, 27 a) Zwykłe ESP 150, 80 a) Cyklon Instalacje 100, 53 a) 150, 80 a) 150, 80 a) istniejące Cyklon Cyklon Cyklon Nowe instalacje Instalacje istniejące 20, 11 a) Udoskonalone ESP 50, 27 a) Zwykłe ESP 50, 27 a) Zwykłe ESP 150, 80 a) Cyklon O2 odniesienia 13% w spalinach dla drewna, innych stałych paliw biomasowych oraz torfu O2 odniesienia 6% dla innych stałych paliw kopalnych a) wartości GWE przeliczone dla węgla na 13% 150, 80 a) Cyklon 150, 80 a) Cyklon

Propozycja EGTI 3 opcje wartości dopuszczalnych emisji pyłu z kotłów 1MW-50 MWth (biomasa, koks, węgiel kamienny, brunatny); 6% tlenu w spalinach Instalacje spalania paliw stałych Proponowane opcje GWE (ELV) dla pyłu, mg/m 3 Rozporz. MŚ. 20.12.2005 mg/m 3 pyłu Moc instalacji, MWth GWE 1 GWE 2 GWE 3 (ELV 1) (ELV 2) (ELV 3) 700, 630 (do 31.12.2015) 200 (od 01.01.2016) 1 5 MWth Nowe instalacje Instalacje istniejące 15 Udoskonalone ESP, FF 30 Udoskonalone ESP 30 Udoskonalone ESP, FF 75 Zwykłe ESP 225 Cyklon 225 Cyklon 400, 630 (do 31.12.2015) 5 50 MWth Nowe instalacje 15 Udoskonalone ESP, FF 30 Udoskonalone ESP, FF 75 Zwykłe ESP 100 (od 01.01.2016) Instalacje istniejące 30 Udoskonalone ESP, FF 45 Zwykłe ESP 75 Zwykłe ESP

Skuteczność urządzeń odpylających, R. Kubica, Wtórne metody ograniczania emisji pyłu,.. IOŚ Warszawa grudzień 2010 99.99 99.95 99.9 99.5 99 98 95 6 5 7 ESPs elektrofitr zamontowany na kominie; www.kwb.at η i [% %] 90 80 70 60 50 40 30 20 4 3 2 10 5 2 1 0.5 0.1 0.05 1 - 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) 1 a) b) 0.01 0.01 0.1 1 10 d p [µm] ESPs- na wylocie z komina; www.kwb.at a)kuntzner&weber, b) Spartherm Airbox

Parametry techniczno-ekonomiczne urządzeń odpylających R. Kubica, Wtórne metody ograniczania emisji pyłu,.. IOŚ Warszawa grudzień 2010 Urządzenie Średnica graniczna Stężenie pyłu wlot do odpylacza Stężenie pyłu wylot z odpylacza Opory przepływu Zużycie energii, jednostk. Koszt inwestyc. wydajność ok. 90 000 Nm 3 /h Koszt inwestyc. wydajność ok. 40000 Nm 3 /h µm g/nm 3 mg/nm 3 Pa W/Nm 3 PLN/Nm 3 PLN/Nm 3 Elektrofiltr 0,5 1 1000 50 100 200 185 38,89 50 Filtr tkaninowy 0,5 1 1000 50 1800 2000 2000 33,33 45 Multicyklon 5-10 1 5 200 800 1600 1375 2 4 Bateria cyklonów 10-20 1 5 400 800 1600 1375 5 10 GWE możliwe do osiągnięcia tylko przy użyciu filtrów tkaninowych i elektrofiltrów, zwłaszcza dla biomasy i zautomatyzowanych kotłów węglowych. Zdecydowanie ostrzejsze wymagania dla instalacji węglowych!! wysokie koszty!! Odpylacze typu cyklonowego, tanie ale mało skuteczne (warunki dalekie od standardowych), zwłaszcza dla spalania biomasy (duży udział PM2.5)!!

Podsumowanie Nowe urządzenia grzewcze jako produkty o mocach do 500 kwth (zwłaszcza do 50kWth)- przyjęcie standardów produktowych zgodnie z tzw. ECODESIGN i nowelizowaną normą PN EN 303-5 Instalacje spalania biomasy o mocach [50]/[70]/[100] kw - 1 MWth spełnienie kryteriów określonych w Granicznych Wartościach Emisji GWE 2 (13% O2 odniesienia) możliwe jest dla peletowych kotłów, pieców (zasilanych kwalifikowanymi peletami) oraz kotłów typu BAT zasilanych czystym drewnem kawałkowym. Stosowanie paliw o niższch parametrach jakościowych umożliwi spełnienie tylko GWE 3. GW1 wymagać będą stosowania urządzeń odpylających, ESP lub FF. Instalacje spalania węgla o mocach [50]/[70]/[100] kw - 1 MWth spełnienie kryteriów określonych w GWE 3 możliwe jest bez dodatkowych opcji pod warunkiem zastosowania stężenia 13% O2 odniesienia w spalinach, stosowania kwalifikowanych paliw i technologii BAT, natomiast osiągniecie GWE 2 i 1 wymagać będzie zastosowania urządzeń odpylających, ESP lub FF. Stężenia 6% O2 odniesienia w spalinach wymagać będzie dla wszystkich GWE stosowania ESP i FF. Instalacje spalania paliw biomasy i paliw węglowych o mocy 1MWth 50MWth - dla nowych jednostek spełnienie kryteriów określonych w GWE 1, 2 i 3 możliwe jest po zastosowaniu wskazanych urządzeń odpylających, ale po uwzględnieniu zastrzeżeń w odniesieniu do skuteczności Cyklonów.

Niezbędne kierunki działań w Polsce w celu ograniczenia emisji pyłu oraz związanych innych zanieczyszczeń ze źródeł spalania o mocy do 50 MWth Wielokierunkowe działania: techniczne: programowe wsparcie innowacyjności w MŚP - producentach urządzeń grzewczych kotłów pieców, kominków oraz elementów instalacji czystszego spalania paliw stałych wsparcie innowacyjności w produkcji kwalifikowanych paliw stałych biomasowych i węglowych legislacyjne kwalifikowane paliwa dla ogrzewnictwa indywidualnego, wymagania paliw w zależności od techniki spalania, obejmujących, wartość opałowa paliwa, uziarnienie, zawartość popiołu, siarki, chloru, rtęci wojewódzkie uregulowania prawne (nowelizacja Ustawy Prawo Ochrony Środowiska) nowelizacja Rozporządzenia Ministra Środowiska z dnia 20.12.2005 w sprawie standardów emisyjnych z instalacji wraz z objęciem instalacji spalania o mocy <1MWth całkowita eliminacja mułów, miałów węglowych z sektora komunalno-bytowego wprowadzenie systemu monitorowania stanu instalacji w sektorze indywidualnego ogrzewnictwa np. z wykorzystaniem służb kominiarskich edukacyjne wielokierunkowa edukacja, w tym postępowanie z odpadami komunalnymi ekonomiczne wsparcie programów ograniczania niskiej emisji (PONE) programy operacyjne, NFOŚiGW (?) fundusze pomocowe, preferencyjne kredyty, z precyzyjnymi mierzalnymi parametrami wdrażania, ujednoliconymi w skali kraju, a przynajmniej w skali województwa.

Tradycyjne, przestarzałej konstrukcji, instalacje spalania paliw stałych małej mocy, SCIs, zużywają dużą ilość paliwa na wyprodukowanie jednej jednostki energii użytecznej oraz są emiterami dużych ładunków toksycznych zanieczyszczeń!!! Wdrożenie technologii BAT oraz odpowiedniego systemu legislacji w zakresie eko-produktu monitorowania jakości SCIs uczyni je przyjaznymi dla środowiska! Dziękuję za uwagę!