ENERGETYKA A OCHRONA ŚRODOWISKA

ENERGETYKA A OCHRONA ŚRODOWISKA Wpływ Krajowego Systemu Energetycznego na środowisko 1 Skutki zanieczyszczania środowiska 1.1 SkaŜenie powietrza (emisja pyłu, SO 2, NO x, CO, CO 2, inne), 1.2 SkaŜenie wód, 1.3 SkaŜenie gleby, 1.4 Hałas, 1.5 Oddziaływanie pól elektromagnetycznych, 1.6 Oddziaływanie obiegów chłodzenia na otoczenie. 2 Metody ograniczenia zapylenia i emisji szkodliwych gazów 2.1 Wzbogacanie paliw, 2.2 Przetwarzanie paliw stałych, 2.3 Technologie czystego spalania, 2.4 Oczyszczanie spalin, 2.4.1 Odpylanie spalin, 2.4.2 Odsiarczanie spalin, 2.4.3 Odazotowywanie spalin, 2.4.4 Ograniczanie emisji CO 2. 3 Składowanie i utylizacja odpadów elektrownianych 3.1 Zagospodarowywanie ścieków, 3.2 Składowanie i zagospodarowanie odpadów paleniskowych i popiołów lotnych, 3.3 Składowanie i zagospodarowanie produktów poreakcyjnych z odsiarczania spalin. 81

Oddziaływanie konwencjonalnej elektrowni cieplnej na środowisko Rys. 54. Kierunki i czynniki oddziaływania konwencjonalnej elektrowni cieplnej na środowisko Rys. 55. Czego potrzebuje konwencjonalna elektrownia cieplna i czym zatruwa środowisko 82

Ochrona powietrza przed emisją pyłu, SO 2, NO x, CO, CO 2, innych), Tabl. 21. Całkowita emisja głównych zanieczyszczeń powietrza a w Polsce 1995 2000 2004 2005 Wyszczególnienie w Gg Dwutlenek siarki 2376 1511 1241 1222 Tlenki azotu b 1120 838 804 811 Dwutlenek węgla c 377448 333253 325382 326511 Tlenek węgla 4547 3463 3426 3333 Niemetanowe lotne związki organiczne w tym: 1076 904 896 885 źródła antropogeniczne 769 599 597 585 przyroda 307 306 299 301 Amoniak 380 322 317 327 Pyły d 1308 464 443 457 a Dane szacunkowe. b WyraŜone w NO 2. c Dane zmienione (zrekalkulowane) w stosunku do opublikowanych w poprzedniej edycji Rocznika. d Emisja ze źródeł stacjonarnych i mobilnych, w 1995 r. tylko ze źródeł stacjonarnych; od 2000 r. dane nieporównywalne z danymi za lata poprzednie z powodu zmiany metodologii szacowania emisji pyłów. Źródło: Mały Rocznik Statystyczny 2007 GUS 2007 83

Tabl. 22. Całkowita emisja dwutlenku siarki, tlenków azotu i pyłów a według źródeł zanieczyszczeń w Polsce Dwutlenek siarki Tlenki azotu b Pyły c Wyszczególnienie 1995 2005 1995 2005 1995 2005 w od- w od- w od- w Gg set- kach w Gg set- kach w Gg set- kach OGÓŁEM 2376 1222 100,0 1120 811 100,0 464 457 100,0 Źródła stacjonarne: energetyka zawodowa 1223 642 52,5 377 246 30,3 64 38 8,2 energetyka przemysłowa 384 209 17,1 111 90 11,1 19 17 3,7 technologie przemysłowe 200 56 4,6 103 54 6,7 72 52 11,4 inne źródła d 527 314 25,7 115 109 13,4 248 288 63,0 Źródła mobilne 42 2 0,1 414 312 38,5 61 63 13,7 a c Patrz notki a, b, d do tabl. 21. d Kotłownie lokalne, paleniska domowe, rolnictwo i inne. Źródło: Mały Rocznik Statystyczny 2007 GUS 2007 81

Zapobieganie bardzo znacznemu zagroŝeniu środowiska ze strony energetyki, spowodowanemu wydzielaniem duŝych ilości zanieczyszczeń gazowych (S0 2 i NO x ) oraz pyłowych, polega na stosowaniu następujących środków i działań: - wzbogacanie paliw; 1 - odpylacze o duŝej skuteczności; - wysokie kominy i koncentracja spalin (w jednym kominie) w celu zwiększenia wyniesienia smugi dymu; - instalacje do odsiarczania spalin; - ograniczanie powstawania tlenków azotu oraz ich emisji; - sieci kontrolno-alarmowe; - spalanie paliwa interwencyjnego (w okresie niekorzystnych warunków meteorologicznych); - utylizacja odpadów paleniskowych; - nowe technologie energetyczne, jak np. energetyka jądrowa, kotły fluidalne, zgazowanie węgla i in. Udoskonalanie procesu wytwarzania energii elektrycznej z węgla moŝna ująć w następujące obszary: I. Wzbogacanie węgla oczyszczanie paliwa przed spalaniem (Precombustion Cleaning) II. Czyste spalanie (Clean Combustion) III. Oczyszczanie spalin (Post-Combustion Cleaning) IV. Technologia konwersji węgla (Conversion) V. Inne 1 Środki i działania wyróŝnione kolorem niebieskim zostaną omówione szerzej 81

Wzbogacanie węgla obecnie stosowane sposoby umoŝliwiają usuwanie 30-50% siarki pirytowej 2 oraz 60% niepalnych części mineralnych (popiołu). Stosowane są następujące metody wzbogacania: 1. Metody fizyczne mielenie drobnoziarniste udoskonalona flotacja pionowa zastosowanie cieczy cięŝkich flotacja mikropęcherzykowa udoskonalone metody suche 2. Metody chemiczne ługowanie stosowanie rozpuszczalników organicznych 3. Metody mikrobiologiczne wymywanie biologiczne 2 Piryt związek chemiczny siarki z Ŝelazem siarczek Ŝelaza (FeS2) 82

II. Czyste spalanie zabiegi technologiczne i konstrukcyjne, prowadzące do ograniczenia emisji tlenków azotu z moŝliwością związania i usunięcia części siarki. 1. Stosowanie nowych lub udoskonalonych komór spalania i palników kotłowych cyklonowe komory z ciekłym odprowadzeniem ŜuŜla i dopalaniem gazu wielostopniowe palniki z iniekcją wapnia udoskonalone palniki o obniŝonej generacji NO x 2. Preparacja paliwa przygotowanie zawiesin węglowo-wodnych równoczesne spalanie węgla i gazu oraz spalanie zawiesin węglowo-wodnych i gazu (układy wielopaliwowe) 3. Stosowanie kotłów fluidalnych (spełniają wymagania ekologiczne bez konieczności stosowania urządzeń dodatkowych) III. Oczyszczanie spalin obecnie najpopularniejszy obszar udoskonalania technologii węglowych mimo, Ŝe ogranicza się tu skutki, a nie przyczyny emisji: 1. Odpylanie spalin (elektrofiltry, filtry tkaninowe, cyklony, komory osadcze) 83

III. Standardy emisyjne pyłu 1. Ze spalania węgla kamiennego Nominalna moc cieplna źródła w MW Standardy emisyjne pyłu w mg/m 3 u, przy zawartości 6% tlenu w gazach odlotowych Źródła istniejące oddane do uŝytkowania przed dniem 29 marca 1990 r. Do 31.12. 2006 r. od 01.01. 2007 r. do 31.12. 2015 r. Od 01.01. 2016 r. źródła wymienione w pkt IV.3. i 4. niniejszego załącznika w okresie od 01.01.2008 r. do terminów tam określonych Źródła istniejące oddane do uŝytkowania po dniu 28 marca 1990 r. Do 31.12. 2015 r. Od 01.01. 2016 r. 1 2 3 4 5 6 7 5 1.900 700 200 700 630 200 >=5 i < 50 1.000 400 1) 100 400 400 100 2) >= 50 i < 500 350 3) 100 4) 100 350 100 100 500 < 350 3) 50 4),5) 50 5) 350 50 5) 50 5) Objaśnienia: 1) standard emisyjny pyłu ze źródeł, które oddano do uŝytkowania przed dniem 29 marca 1990 r., dla których prowadzący takie źródła zobowiązał się w pisemnej deklaracji, zło- Ŝonej właściwemu organowi ochrony środowiska nie później niŝ do dnia 30 czerwca 2004 r., Ŝe źródło będzie uŝytkowane nie dłuŝej niŝ do dnia 31 grudnia 2015 r., a czas jego uŝytkowania w okresie od dnia 1 stycznia 2008 r. do dnia 31 grudnia 2015 r. nie przekroczy 20.000 godzin, wynosi w okresie od 01.01.2007 r. do 31.12.2015 r. 700 mg/m 3 u, przy zawartości 6 % tlenu w gazach odlotowych. 2) standard emisyjny pyłu ze źródeł wymienionych w pkt IV.3. załącznika wynosi - do czasu określonego w tym punkcie - 400 mg/m 3 u, przy zawartości 6 % tlenu w gazach odlotowych; 3) wartości obowiązują do dnia 31 grudnia 2007 r.; 4) wartości obowiązują od dnia 1 stycznia 2008 r.; 5) dla źródeł, w których spalane jest paliwo stałe posiadające w stanie roboczym: wartość opałową mniejszą niŝ 5.800 kj/kg, zawartość wilgoci większą niŝ 45% wagowych, łączną zawartość wilgoci i popiołu większą niŝ 60% wagowych i zawartość tlenku wapnia większą niŝ 10%, standard emisyjny wynosi 100 mg/m 3 u, przy zawartości 6 % tlenu w gazach odlotowych. Źródło: ROZPORZĄDZENIE MINISTRA ŚRODOWISKA w sprawie standardów emisyjnych z instalacji z dnia 20 grudnia 2005 r. Dziennik Ustaw z 2005 r. Nr 260 poz. 2181 Jest to przykładowy cytat z przepisów prawnych dotyczących emisji zanieczyszczeń do środowiska. 84

Elektrofiltry Elektrofiltr, zwany odpylaczem elektrostatycznym jest urządzeniem, w którym usuwanie pyłu ze spalin następuje poprzez wykorzystanie siły elektrostatycznej, działającej na cząstki tego pyłu. Zasada działania elektrofiltru Aktywną przestrzeń elektrofiltru tworzy układ elektrod wysokonapięciowych i zbiorczych umieszczonych względem siebie w pewnych odstępach. Do elektrod wysokonapięciowych doprowadzane jest bardzo wysokie stałe napięcie ujemne 30-100 kv, elektrody zbiorcze są uziemione. W wyniku działania wysokiego napięcia pomiędzy elektrodami powstaje silne pole elektryczne i wyładowania koronowe. Cząsteczki pyłu znajdujące się w strumieniu gazu przepływającego przez aktywną przestrzeń pomiędzy elektrodami są ładowane przez jony ujemne i uzyskują ładunek ujemny. Pod wpływem działania silnego pola elektrycznego naładowane cząstki pyłu przyciągane są do powierzchnię elektrod zbiorczych, gdzie uwalniane są od ładunku elektrycznego. Pył jest strącany z elektrod zbiorczych poprzez wytrząsanie mechaniczne i opada w dół do zsypu, skąd jest odprowadzany w sposób ciągły na składowisko bądź zagospodarowywany jest do innych celów. Rys. 56. Zasada działania elektrofiltru 85

Skuteczność usuwania pyłów od średnicy 10 µm w górę. Prędkość przepływu spalin 0,9-3 m/s sprawność 92-98% Rys. 57. Schemat odpylacza elektrostatycznego 1. System ścian rozdzielających dla równomiernego rozdziału przepływu spalin 2. Wnętrze elektrofiltru wraz z: - systemem elektrod zbiorczych - systemem elektrod wysokonapięciowych 3. Zawieszenie systemu wysokonapięciowego 4. Stożkowe izolatory wsporcze 5. Elektrody wysokonapięciowe 6. Elektrody zbiorcze 7. Strzepywacze regenerujące elektrody wysokonapięciowe i zbiorcze 8. Zsypy zbiorcze na pył 86

Rys. 58. Układy szeregowo-równoległych elektrofiltrów siłownianych Rys. 59. Przykład przemysłowego wykonania elektrofiltru 87

Cyklon Cyklon (odpylacz cyklonowy) - urządzenie wykorzystywane do oczyszczania gazów z cząstek stałych (pyłu) wykorzystujące siły bezwładności. Stosowane do odpylania gazów w ciepłowniach, elektrociepłowniach, hutach, itp. Skuteczność działania usuwają cząstki pyłu o wymiarach przekraczających 60 µm. Skuteczność odpylania - cyklonu - jest tym większa im większa jest prędkość wlotowa, a takŝe im mniejszy promień. 1 3 2 Rys. 60. Konstrukcja cyklonu 88

Rys. 61. Przykład przemysłowej instalacji odpylającej z cyklonami Filtry workowe Rys. 62. Zasada działania jednego z typów filtrów workowych 89

Rys. 63. Przykład przemysłowej instalacji odpylającej z filtrami workowymi 2. Odsiarczanie spalin Siarka zawarta w paliwie (węglu, benzynie, olejach napędowych czy opałowych) wchodzi w reakcję z tlenem z powietrza tworząc dwutlenek siarki zgodnie z reakcją: S + O 2 = SO 2, dalsze utlenianie dwutlenku siarki daje trójtlenek: 2SO 2 + O 2 = SO 3, z którego po połączeniu z wodą (mgła, deszcz) otrzymamy kwas siarkowy: SO 3 + H 2 O = H 2 SO 4, 90

opadający na ziemię w postaci tzw. kwaśnego deszczu. Proces tworzenia kwaśnych deszczy moŝna znacznie ograniczyć (zmniejszyć stęŝenie kwasów w wodzie deszczowej), poprzez usuwanie dwutlenku siarki w instalacjach odsiarczania, budowanych na terenie elektrowni. Metody odsiarczania spalin: a. wykorzystujące chemiczne wiązanie SO 2, poprzez reakcję tego gazu z tzw. sorbentem (zwykle związkami wapnia) metody mokre (skuteczność >90%) metody półsuche (skuteczność =20 60%) metody suche (skuteczność =20 60%) b. wykorzystujące katalityczne przetworzenie SO 2 c. wykorzystujące adsorpcję fizyczną na odpowiednim złoŝu tzw. adsorbencie Przykład metody mokrej. Rys.64. Schemat ideowy (przykładowy) mokrej wapiennej metody odsiarczania spalin 1 - komin, 2 - wentylator wspomagający, 3 - absorber, 4 - spaliny z kotła odzysknicowego, 5 - mieszacz spalin (podgrzewacz), 6 - wentylator powietrza utleniającego, 7 - eliminator kropel wody, 8 - sorbent (mleczko wapienne), 9 - recyrkulacja sorbentu, 10 - roztwór sorbentu z odwadniania gipsu, 11 - odwadnianie gipsu, 12 - zbiornik gipsu, 13 - barka 91

Przebieg reakcji podczas mokrego odsiarczania spalin: SO 2 + H 2 O = H 2 SO 3 CaCO 3 + H 2 SO 3 = CaSO 3 + CO 2 + H 2 O 2CaSO 3 + O 2 = 2CaSO 4 Produkt otrzymywany to gips, łatwy w składowaniu lub uŝywany jako surowiec w budownictwie. Przykład metody półsuchej. Rys. 65. Schemat ideowy półsuchej wapiennej metody Niro-Atomizer- Fläkt odsiarczania spalin 1 - elektrofiltr, 2 - zbiornik wapna, 3 - zbiornik sorbentu, 4 - absorber, 5 - filtr workowy, 6 - zbiornik produktów odsiarczania 92

Przykład metody suchej. Sucha metoda odsiarczania spalin polega na doprowadzeniu do komory spalania kotła zmielonego sorbentu w postaci kamienia wapiennego CaCO 3, kredy CaCO 3, dolomitu CaCO 3 MgCO 3, wapna palonego CaO lub wapna hydratyzowanego Ca(OH) 2. Sorbent musi być zmielony na cząstki o średnicy mniejszej niŝ 100 µm. Jest on doprowadzony do komory spalania bezpośrednio z węglem lub z powietrzem wtórnym, albo specjalnym systemem dysz. Reakcja ma przebieg następujący: CaCO 3 CaO + CO 2 CaO + SO 3 = CaSO 4 2CaO + 2SO 2 + O 2 = 2CaSO 4 Skuteczność tej metody wynosi ok. 50%. Produkt wyjściowy gips przechodzi do ŜuŜli i popiołów. 93

3. Odazotowywanie spalin Podczas spalania paliw ok. 80% tlenków azotu powstaje z azotu zawartego w paliwie. Ile jest azotu w paliwach? W węglu 1-2%, w gazie ziemnym ok. 0,5% w oleju opałowym 0,2-1%. W procesach spalania powstaje tlenek azotu NO; dwutlenek NO 2 tworzy się poprzez utlenianie tlenku w powietrzu atmosferycznym. Procentowe udziały tlenków azotu w spalinach są następujące: 5% dwutlenek azotu, 95% tlenek azotu. NO x 1 [%] 10-1 10-2 10-3 Rys. 66. Zawartość tlenków azotu w spalinach w zaleŝności od temperatury spalania Sposoby ograniczania emisji tlenków azotu: właściwe ukształtowanie komory paleniskowej stosowanie palników o specjalnej konstrukcji dwustrefowe spalanie paliwa recyrkulacja spalin do komory paleniskowej zmniejszenie współczynnika nadmiaru powietrza 94

W/w sposoby pozwalają zmniejszyć emisję NOx o ok. 50%. Szczegółowe opisy sposobów i dane dotyczące efektów zmniejszania emisji tlenków azotu podaje literatura przedmiotu. Do metod zmniejszania zawartości tlenków azotu w spalinach naleŝą: selektywna redukcja katalityczna, selektywna redukcja niekatalityczna, metody absorpcyjne połączona z odsiarczaniem: metoda SHL (Saaberg-Holder-Lurgi) metoda WSA-SNOX (WSA Wet Sulphuric Acid) metoda Bergau Forschung-Uhde metoda radiacyjna Rys. 67. Schemat pilotowej instalacji odsiarczania i odazotowywania spalin metodą radiacyjną w Elektrociepłowni Kawęczyn. 1 - kondycjonowanie spalin, 2 - układ dozowania amoniaku, 3 - reaktor (komora napromieniowania), 4 - filtracja i odbiór produktu 95

4. Technologia konwersji węgla (Conversion) Ograniczanie emisji CO2 Przyczyna dąŝenia do zmniejszenia emisji dwutlenku węgla, jest głównie rola jaką ten gaz, wpływając na efekt cieplarniany, przyczynia się do globalnego ocieplenia. Tabela 16. Procentowy udział CO 2 w gazach odlotowych róŝnych procesów technologicznych Wyszczególnienie Gazy spalinowe z elektrowni: Koncentracja CO 2 [% objętości] - kotły węglowe 14 - kotły gazowe 8 - gaz ziemny w cyklu kombinowanym 4 - spalanie węglowo tlenowe >80 Elektrownie z wychwytywaniem CO 2 przed spalaniem: - zgazowanie węgla 40 - częściowe utlenianie gazów odlotowych (gaz ziemny) 24 Gazy z pieców hutniczych: - przed spalaniem 20 - po spaleniu 27 Gazy z wypalania cementu 4-23 Petrochemia i rafinerie 8 96

Spalanie węgla generuje emisję CO 2 w ilości od 800 do 1200 gramów CO 2 na kilowatogodzinę energii elektrycznej. Działania mogące ograniczyć emisje CO 2 z elektrowni i elektrociepłowni są roŝne ale kaŝde jest waŝne. Do takich działań moŝna zaliczyć: uszlachetnianie węgla przed spaleniem; efekt: CO 2 5%, podniesienie sprawności konwersji energii w elektrowniach szczególnie budowa bloków na parametry nadkrytyczne (t = 620 o C i p = 30 MPa), docelowo supernadkrytyczne (t = 700 o C i p = 37,5 MPa), dywersyfikacja paliw zastępowanie węgla olejem opalowym lub lepiej gazem ziemnym, wprowadzanie technologii zgazowania węgla: zgazowanie węgla w kopalniach, cykl kombinowany ze zintegrowanym zgazowaniem - IGCC (ang. integrated gasification combined cycle) sprawność (45-55)%, sekwestracja dwutlenku węgla w kaŝdym procesie spalania. Rys. 67. Poglądowy rysunek układu gazowo-parowego 97

Rys. 67. Separacja CO 2 Inne nie związane (lub związane) bezpośrednio ze spalaniem węgli, sposoby ograniczania emisji CO 2 : wprowadzenie kombinowanych cykli gazowoparowych (CCGT) (combined cycle gas turbine), zastępowanie elektrowni elektrociepłowniami, budowa elektrowni jądrowych, wprowadzanie odnawialnych źródeł energii, 98