Polskie technologie stosowane w instalacjach 1-50 MW Polish technology of heating installations ranging 1-50 MW Michał Chabiński, Andrzej Ksiądz, Andrzej Szlęk michal.chabinski@polsl.pl 1 Instytut Techniki Cieplnej, Politechnika Śląska www.itc.polsl.pl
Plan prezentacji Typowe instalacje kotłowe w Polsce i paliwa w nich wykorzystywane Wpływ instalacji kotłowych na środowisko Możliwości ograniczenia uciążliwości energetycznej kotłów Podsumowanie 2
Instalacje kotłowe udział paliw w ciepłownictwie systemowym w Polsce 7,9% 6,9% 4,0% 4,6% zdecydowana dominacja źródeł węglowych węgiel gaz biomasa/oze 76,6% olej opałowy inne źródło: Raport Urzędu Regulacji Energetyki, Warszawa 2014 3
Instalacje kotłowe udział przedsiębiorstw ciepłowniczych według wielkości źródeł ciepła 9,1% 11,3% przewaga ilościowa źródeł <50 MW poniżej 10 MW 10-50 MW 38,4% 41,2% powyżej 50 MW brak źródeł ciepła źródło: Raport Urzędu Regulacji Energetyki, Warszawa 2014 4
Instalacje kotłowe typowe paleniska o mocy z zakresu 1-50 MW kotły węglowe (większość ciepłowni) WR kocioł ciepłowniczy wodny rusztowy najpopularniejsze konstrukcje: WR 25 (25 Gcal/h=29,2 MW) WR 10 WR 5 paliwo: węgiel (możliwość współspalania biomasy) sprawność ~82% OR kocioł parowy, rusztowy najpopularniejsze konstrukcje: OR 35 (35 ton pary na godzinę) OR 16 OR 10 paliwo: węgiel (możliwość współspalania biomasy) sprawność ~87% kotły gazowe (udział w rynku kilkukrotnie mniejszy niż węglowych) najpopularniejsze konstrukcje: kilkadziesiąt typów konstrukcji o mocy 1-50 MW wodne lub parowe paliwo: gaz ziemny sprawność ~90-95% kotły olejowe (zdecydowanie mniejszy udział niż węglowych) najpopularniejsze konstrukcje: kilkadziesiąt typów konstrukcji o mocy 1-50 MW wodne lub parowe paliwo: olej opałowy sprawność 85-92% 5
Paliwa w ciepłownictwie węgiel kamienny typ 31 i 32; sortymenty wykorzystywane w kotłach rusztowych to miał (IA, IIA) oraz grubsze groszek, orzech typowe parametry węgli stosowanych w kotłach rusztowych sortymenty miałowe jedn. zakres wartość opałowa MJ/kg 20-24 zawartość siarki całkowitej %wag 0,4-1,0 zawartość popiołu %wag 15-21 zawartość części lotnych - V daf %wag 28-35 sortymenty grubsze jedn. zakres wartość opałowa MJ/kg 25-27 zawartość siarki całkowitej %wag 0,4-1,0 zawartość popiołu %wag 5-10 * stan roboczy, o ile nie zaznaczono inaczej 6
Paliwa w ciepłownictwie gaz ziemny (gaz typu E) zgodnie z Rozporządzeniem Ministra Gospodarki z dnia 2 lipca 2010 r. sprawie szczegółowych warunków funkcjonowania systemu gazowego (Dz. U. Nr 133, poz. 891) zawartość siarkowodoru nie powinna przekraczać 7,0 mg/m 3, a zawartość siarki całkowitej 40,0 mg/m 3 ; zwykle zawartość siarki całkowitej nie przekracza 1 mg/m 3, ale po nawonieniu wynosi około 15 mg/m 3 olej opałowy zgodnie z Rozporządzeniem Ministra Gospodarki z dnia 3 listopada 2014 r. w sprawie wymagań jakościowych dotyczących zawartości siarki dla olejów oraz rodzajów instalacji i warunków, w których będą stosowane ciężkie oleje opałowe (Dz.U. 2014 poz. 1547) maksymalna zawartość siarki w oleju opałowym lekkim to 0,1%wag, a oleju opałowym ciężkim 1,0%wag 7
Wpływ instalacji kotłowych na środowisko kotły węglowe 1-5 MW wskaźniki emisji, g/mg zanieczyszczenie ciąg naturalny ruszt stały ciąg sztuczny ruszt mechaniczny tlenki siarki 16 000 x s 16 000 x s 16 000 x s tlenki azotu 1 000 3 000 3 200 tlenek węgla 45 000 20 000 10 000 dwutlenek węgla 2 000 000 2 000 000 2 130 000 pył całkowity 1 500 x A 1 500 x A 2 000 x A benzo(a)piren 14 14 3,2 s zawartość siarki całkowitej w stanie roboczym, % A zawartość popiołu w stanie roboczym, % brak urządzeń ochrony powietrza 8
Wpływ instalacji kotłowych na środowisko kotły biomasowe 1-5 MW wskaźniki emisji, g/mg zanieczyszczenie ruszt stały ruszt mechaniczny tlenki siarki 110 20 tlenki azotu 950 800 tlenek węgla 16 000 11 000 dwutlenek węgla 1 200 000 1 330 000 pył całkowity 1 500 x A 2 500 x A A zawartość popiołu w stanie roboczym, % brak urządzeń ochrony powietrza 9
Wpływ instalacji kotłowych na środowisko kotły olejowe 1-5 MW wskaźniki emisji, g/mg zanieczyszczenie lekki olej opałowy ciężki olej opałowy tlenki siarki 20 359,2 x s 21 666,5 x s tlenki azotu 2 395,2 8 888,8 tlenek węgla 598,8 1555,5 dwutlenek węgla 3 233 520 3 333 300 pył całkowity 407,2 2222,2 benzo(a)piren 2,874 2,667 A zawartość popiołu w stanie roboczym, % brak urządzeń ochrony powietrza 10
Wpływ instalacji kotłowych na środowisko kotły gazowe 1-5 MW wskaźniki emisji, g/m 3 zanieczyszczenie tlenki siarki wskaźnik emisji 0,002 x s tlenki azotu 1,75 tlenek węgla 0,24 dwutlenek węgla 2 000 pył całkowity 0,0005 s zawartość siarki całkowitej, mg/m 3 brak urządzeń ochrony powietrza 11
wskaźnik emisji*, g/gj Wpływ instalacji kotłowych na środowisko 2500 porównanie wskaźników emisji dla różnych paliw 2000 1996 węgiel kamienny 1500 1000 500 0 710 637 261 177 223 2 54 1 71 63 53 65 11 0 SO2 NOx pył * wskaźnik przeliczony na GJ ciepła użytecznego biomasa olej ciężki olej lekki gaz ziemny brak urządzeń ochrony powietrza 12
Wpływ instalacji kotłowych na środowisko przykładowe stężenia zanieczyszczeń wybrane kotły węglowe o mocach z zakresu 5-50 MW stężenie zanieczyszczeń w spalinach typ kotła WR-25 OKR-40 OR-35 WR-10 NO, mg/m 3 (6%O 2 ) 366 640 398 381 CO, mg/m 3 (6%O 2 ) 65 57 98 77 pył*, mg/m 3 (6%O 2 ) 285 357 369 311 * pomiar przed systemem odpylania 13
Sposoby ograniczania uciążliwości ekologicznej kotłów węglowych ograniczanie emisji pyłu dla różnego typu urządzeń odpylających urządzenie średnica graniczna cząstek, µm stężenie pyłu na wlocie, mg/m 3 źródło: Kubica R.: Nowoczesne systemy ograniczania emisji pyłu w instalacjach spalania stężenie pyłu na wylocie, mg/m 3 elektrofiltr 0,5 1-1000 20 filtr tkaninowy 0,5 1-1000 20 multicyklon 5-10 1-5 200 bateria cyklonów 10-20 1-5 400 proponowane standardy emisji dla pyłu (20-30 mg/m 3 ) stanowią najpoważniejsze wyzwanie dla sektora 14
Wpływ instalacji kotłowych na środowisko problem emisji SO 2 stężenie SO 2, mg/m 3 4000 3000 2000 1000 0 1,5% 1,2% 1,0% 0,8% 0,6% 0,4% 0,2% 15 20 25 30 1300 mg/m 3 400 mg/m 3 W d, MJ/kg problem związany z dostępnością węgli niskozasiarczonych metody odsiarczania spalin (suche, półsuche, mokre) 15
Sposoby ograniczania uciążliwości ekologicznej kotłów węglowych 350 300 250 200 150 100 50 0 NO, mg/m 3 problem emisji NO x proponowane w dyrektywie MCP standardy emisyjne łagodniejsze od obecnie obowiązujących w Polsce zużycie mocznika, kg/h 0 50 100 150 jedną z opcji jest selektywna niekatalityczna redukcja NO (SNCR), ale stosunkowo wysokie koszty eksploatacji związane głównie z zakupem reagenta (woda amoniakalna, ewentualnie mocznik) źródło: Kuropka J., Gostomczyk M.A.: Badania selektywnej redukcji niekatalitycznej tlenków azotu 16
Sposoby ograniczania uciążliwości ekologicznej kotłów węglowych odpowiednie sterowanie procesem spalania parametr jednostka sterowanie ręczne sterowanie automatyczne sprawność % 53,4 70,47 O 2 % 12,93 9,43 CO mg/m 3 2016 1711 NO (6% O 2 x ) 395 340 temp. spalin C 187 183 ograniczenie emisji zanieczyszczeń oraz wzrost sprawności kotła dla sterowania automatycznego źródło: Chabiński M.: Energetyczne i ekologiczne aspekty sterowania pracą kotłów 17
Sposoby ograniczania uciążliwości ekologicznej kotłów węglowych system recyrkulacji spalin mg/m 3 (6%O 2 ) NO mg/m 3 (6%O 2 ) pył bez recyrkulacji bez recyrkulacji z recyrkulacją z recyrkulacją moc, MW moc, MW źródło: Raport Pomiar energetyczno-emisyjny kotła możliwość istotnego ograniczenia emisji pyłu i NO w przypadku zastosowania systemu recyrkulacji spalin 18
Podsumowanie Sektor średnich kotłów oparty głównie o kotły węglowe (udział węgla spada na skutek rosnącej ilości kotłów biomasowych i gazowych) Brak możliwości zamiany węgla na inne paliwo w skali kraju w krótkim czasie Konieczność modernizacji kotłów (również sterowanie, czy recyrkulacja spalin) Podstawowy problem standardy emisji dla pyłu konieczność stosowania wysokosprawnych urządzeń odpylających (filtry workowe) Standardy emisji dwutlenku siarki można osiągnąć stosując węgle niskosiarkowe w połączeniu z niezbyt skuteczną, ale relatywnie niedrogą suchą metodą odsiarczania spalin Problem standardów emisji dla NO nieistotny (obowiązujące krajowe regulacje bardziej restrykcyjne) Problem się pogłębia w przypadku obszarów o niedotrzymanych normach jakości powietrza 19
Wybrana bibliografia Energetyka cieplna w liczbach, Raport Urzędu Regulacji Energetyki, Warszawa 2014 Chabiński M.: Energetyczne i ekologiczne aspekty sterowania pracą kotłów węglowych Sterowanie pracą kotłów małej mocy, Wydawnictwo Bezkres Wiedzy, 2014 Kubica R.: Nowoczesne systemy ograniczania emisji pyłu w instalacjach spalania małej mocy, Katowice 2012 Kuropka J., Gostomczyk M.A.: Badania selektywnej redukcji niekatalitycznej tlenków azotu, Ochrona środowiska 4/1996 Raport Pomiar energetyczno-emisyjny kotła OKR 40/50 przy 3 obciążeniach cieplnych przy wyłączonym systemie recyrkulacji powietrza podmuchowego i 3 obciążeniach cieplnych przy włączonym systemie recyrkulacji powietrza podmuchowego, Instytut Techniki Cieplnej, Gliwice 20