STANISŁAW KIRSEK, JOANNA STUDENCKA STANDARDY EMISJI ZANIECZYSZCZEŃ DO POWIETRZA Z PROCESÓW ENERGETYCZNEGO SPALANIA PALIW ANALIZA ZMIAN THE STANDARDS OF AIR POLLUTION EMISSION FROM THE FUELS COMBUSTION CHANGES ANALYSIS Steszczenie Abstact W atykule pzedstawiono ozpoządzenia dotyczące standadów emisji zanieczyszczeń wpowadzanych do powietza w kontekście enegetycznego spalania paliw stałych. Szczegółowo omówiono aktualnie obowiązujące w tym zakesie Rozpoządzenie Minista Śodowiska z dnia 20 gudnia 2005. Rozpoządzenie to analizowano pod kątem obniżenia standadów emisji SO 2 dla źódeł istniejących oddanych do użytku pzed dniem 29 maca 1990. Słowa kluczowe: emisja, standady emisji The aticle pesents the govenment odes concening the standads of ai pollution emission fom the combustion of solid fuels. The main emphasis is put on Polish State Envionmental Regulation intoduced on 20 th Decembe 2005 by Polish Ministy of Envionment. Keywods: emission, the standads emission D Stanisław Kisek, mg inż. Joanna Studencka, Instytut Inżynieii Cieplnej i Ochony Powietza, Wydział Inżynieii Śodowiska, Politechnika Kakowska.
64 1. Wstęp Piewszym ozpoządzeniem okeślającym standady emisji było Rozpoządzenie Minista Ochony Śodowiska, Zasobów Natualnych i Leśnictwa z dnia 12 lutego 1990. w spawie ochony powietza pzed zanieczyszczeniem. W ozpoządzeniu tym w piewszej kolejności pzedstawiono dopuszczalne stężenia substancji zanieczyszczających powietze (Załącznik n 1), następnie omówiono spawy związane z uzyskaniem decyzji o dopuszczalnej emisji, a dopieo tzecią kwestią były wpowadzane do powietza dopuszczalne ilości SO 2, NO 2 i pyłu powstające w pocesie enegetycznego spalania paliw (Załącznik n 2). Jednostką standadu emisji w tym wypadku było [g/gj] czyli ilość substancji emitowanej pzypadająca na GJ enegii chemicznej wpowadzanej do kotła. Zastosowana jednostka była jednoznaczna, ale badzo skomplikowana i czasochłonna w pomiaze. Rozpoządzenie to okeślało bieżące standady emisji oaz ustalało datę zaostzenia standadów emisji, czyli wyznaczało okes dostosowawczy dla użytkowników instalacji. W dniu 8 wześnia 1998. Ministe OŚZNiL ogłosił nowe ozpoządzenie w spawie wpowadzania do powietza substancji zanieczyszczających z pocesów technologicznych i opeacji technicznych. Jest to piewsze ozpoządzenie dotyczące tylko i wyłącznie standadów emisji. Pomimo że tytuł sugeuje szeoki zakes zastosowania, ozpoządzenie odnosiło się jedynie do spalania paliw w pocesach enegetycznych. W tym wypadku wpowadzono po az piewszy nową jednostkę standadu emisji [mg/m 3 ] suchych gazów odlotowych o tempeatuze 273 K i ciśnieniu 1013 hpa pzy nomowanej ilości tlenu w spalinach. Dla spalin ze spalania dewna wynosiła ona 11%, dla pozostałych paliw stałych 6%, a dla paliw ciekłych i gazowych 3%. W ozpoządzeniu tym standayzacją objęto nową substancję, któą był tlenek węgla, CO. Pzedstawione standady emisyjne dotyczyły źódeł o mocy cieplnej powyżej: a) 0,5 MW t opalanych węglem i olejem, b) 1,0 MW t opalanych koksem, gazem, dewnem. Jednocześnie wyjaśniono, co oznacza pojęcie moc cieplna okeślana w [MW t ]. Jest to ilość enegii cieplnej (enegii chemicznej) wpowadzanej w paliwie do źódła w jednostce czasu pzy jego nominalnym obciążeniu. Nazucony tym ozpoządzeniem standad emisji CO w wypadku spalania węgla kamiennego wynoszący 250 mg/m 3 był badzo niski i paktycznie niemożliwy do dotzymania. W 2001 oku Ministe Śodowiska, już po uchwaleniu ustawy Pawo ochony śodowiska, wydał w dniu 30 lipca nowe ozpoządzenie w spawie wpowadzania do powietza substancji zanieczyszczających pocesów technologicznych opeacji technicznych. Jak wynika z samego tytułu ozpoządzenia, jest to kontynuacja ozpoządzenia z dnia 8 wześnia 1998. Dla pocesów spalania paliw zmieniono zasadniczo watości standadów emisji CO. W wypadku źódeł opalanych węglem kamiennym, do użytkowania któych pzystąpiono pzed dniem 29 maca 1990., wahają się one od dotychczasowych 250 mg/m 3 dla kotłów dużych do 2500 mg/m 3 dla kotłów małych, a zatem dla małych jednostek kotłowych standad powiększono aż 10-kotnie. Z dniem 4 siepnia 2003. ustanowiono nowe Rozpoządzenie Minista Śodowiska w spawie standadów emisji z instalacji. Istotną zmianą w stosunku do wcześniej obo-
wiązującego ozpoządzenia jest to, że w wypadku enegetycznego spalania paliw zezygnowano ze standayzacji emisji tlenku węgla. Aktualnie obowiązujące Rozpoządzenie Minista Śodowiska w spawie standadów emisji z instalacji zostało wydane w dniu 20 gudnia 2005. (Dz. U. 2005 N 260, poz. 2181). 65 2. Obowiązujące ozpoządzenie w spawie standadów emisyjnych z instalacji, tj. Rozpoządzenia Minista Śodowiska z dnia 20 gudnia 2005. Rozpoządzenie z dnia 20 gudnia 2005. nie wpowadza żadnych istotnych zmian odnośnie do enegetycznego spalania paliw, uaktualnia jedynie popzedni dokument, usuwając z niego adnotacje nieaktualne dotyczące źódeł pzeznaczonych do likwidacji pzed końcem 2005. oaz uszczegóławia standady emisji pyłu ze spalania biomasy o nowe pzedziały w zależności od nominalnej mocy cieplnej źódła. Stosowane jest w nim znane z wcześniejszych ozpoządzeń pojęcie mocy cieplnej (MW t ), ale oznaczane jako MW. W ozpoządzeniu tym zostały okeślone m.in.: standady emisji z instalacji w zakesie wpowadzania gazów lub pyłów do powietza zóżnicowane w zależności od odzaju działalności, technologii lub opeacji technicznej oaz teminu oddania instalacji do eksploatacji, sytuacje uzasadniające pzejściowe odstępstwa od standadów oaz ganice odstępstw, waunki uznawania standadów za dotzymane, wymagania w zakesie stosowania okeślonych ozwiązań technicznych zapewniających oganiczenie emisji, sposoby postępowania w azie zakłóceń w pocesach technologicznych i opeacjach technicznych dotyczących eksploatacji instalacji lub uządzenia, odzaje zakłóceń, gdy wymagane jest wstzymanie użytkowania instalacji lub uządzenia, śodki zaadcze, jakie powinni podjąć powadzący instalację lub użytkownik uządzenia, pzypadki, w któych powadzący instalację lub użytkownik uządzenia powinni poinfomować o zakłóceniach wojewódzkiego inspektoa ochony śodowiska, temin, w jakim infomacja ta powinna zostać złożona oaz jej wymagana foma. Najistotniejszą częścią ozpoządzenia jest 11 załączników. Załączniki te standayzują w wypadku enegetycznego spalania paliw emisję dwutlenku siaki, tlenków azotu w pzeliczeniu na dwutlenek azotu i pyłu. Stosowaną jednostką emisji jest [mg/m 3 ] spalin suchych (zawatość pay wodnej nie większa niż 5 g/kg gazów odlotowych) w waunkach umownych pzy okeślonym stężeniu tlenu. W wypadku paliw stałych (węgiel kamienny, węgiel bunatny, koks, biomasa) nomatywna zawatość tlenu w gazach odlotowych wynosi 6%, natomiast nomatywne stężenie tlenu w spalinach powstałych ze spalania paliw gazowych i ciekłych wynosi 3%. W załącznikach 1 4 okeślono standady emisji z enegetycznego spalania paliw. Zóżnicowanie poszczególnych załączników wynika jedynie z teminu oddania instalacji do eksploatacji. Załącznik n 1. Standady emisyjne ze źódeł istniejących, czyli takich, dla któych piewsze pozwolenie na budowę lub odpowiednik tego pozwolenia wydano pzed dniem 1 lipca 1987. Zestawienie gaficzne standadów emisji dla Załącznika n 1 (źódła istniejące) pzedstawiono na ys. 1 i 2.
66 Załącznik n 2. Standady emisyjne ze źódeł nowych, dla któych wniosek o wydanie pozwolenia na budowę złoŝono pzed dniem 27 listopada 2002., jeŝeli źódła zostaną oddane do uŝytkowania nie później niŝ do dnia 27 listopada 2003. Załącznik n 3. Standady emisyjne ze źódeł nowych, dla któych wniosek o wydanie pozwolenia na budowę złoŝono po dniu 26 listopada 2002. lub któe zostały oddane do uŝytkowania po dniu 27 listopada 2003., z tubin gazowych, dla któych decyzję o pozwoleniu na budowę wydano po 30 czewca 2002. lub któe zostały oddane do uŝytkowania po dniu 27 listopada 2003., oaz ze źódeł istotnie zmienionych po dniu 27 listopada 2003. Zestawienie gaficzne standadów emisji dla Załącznika n 3 (źódła nowe) pzedstawiono na ys. 3. Załącznik n 4. Standady emisyjne ze źódeł istniejących, któe oddano do uŝytkowania pzed dniem 29 maca 1990., dla któych powadzący takie źódła zobowiązał się w pisemnej deklaacji złoŝonej właściwemu oganowi ochony śodowiska do dnia 30 czewca 2004., Ŝe źódło będzie uŝytkowane nie dłuŝej niŝ do dnia 31 gudnia 2015., a czas jego uŝytkowania w okesie od dnia 1 stycznia 2008. do dnia 31 gudnia 2015. nie pzekoczy 20 000 godzin, obowiązujące w tym okesie. Rys. 1. Standady emisji z ozpoządzenia Minista Śodowiska z dnia 20 gudnia 2005. dla źódeł istniejących oddanych do uŝytku pzed dniem 29 maca 1990. wg Załącznika n 1 dotyczące spalania węgla kamiennego Fig. 1. Coal combustion emission standads Regulation of Envionment Ministy of Poland fom 20.12.2005 fo existing souces given back to the use befoe 29.03.1990; Annex 1
67 Rys. 2. Standady emisji z ozpoządzenia Minista Śodowiska z dnia 20 gudnia 2005. dla źódeł istniejących oddanych do użytku po dniu 28 maca 1990. wg Załącznika n 1 dotyczące spalania węgla kamiennego Fig. 2. Coal combustion emission standads Regulation of Envionment Ministy of Poland fom 20.12.2005 fo existing souces given back to the use afte 28.03.1990; Annex 1 Rys. 3. Standady emisji z ozpoządzenia Minista Śodowiska z dnia 20 gudnia 2005. dla źódeł nowych wg Załącznika n 3 dotyczące spalania węgla kamiennego Fig. 3. Coal combustion emission standads Regulation of Envionment Ministy of Poland fom 20.12.2005 fo new souces; Annex 3
68 Na ysunku 4 pzedstawiono pocentowe zaostzenie standadów emisji SO 2 dla źódeł istniejących o mocy cieplnej od 5 do 500 MW. Zauważyć można, że ustawodawca najbadziej estykcyjnie potaktował źódła o mocy cieplnej od 100 do 500 MW, obniżając standady emisji SO 2 odpowiednio od 36 do 83%. Spełnienie tych oganiczeń wiąże się z koniecznością zastosowania instalacji odsiaczania lub zmiany paliwa z węgla kamiennego na gazowe. W myśl ozpoządzenia źódła o mocy cieplnej od 5 do 100 MW muszą obniżyć dotychczasową emisję SO 2 o 25%, co uzyskać mogą pzez zmianę węgla na mniej zasiaczone lub badziej kaloyczne paliwo. Rys. 4. Obniżenie standadów emisji SO 2 dla źódeł istniejących oddanych do użytku pzed dniem 29 maca 1990. wg ozpoządzenia z dnia 20 gudnia 2005. Fig. 4. Reduction of SO 2 emission standads fo existing souces given back to the use befoe 29.03.1990 accoding to the Regulation of Envionment Ministy of Poland fom 20.12.2005 3. Wpływ paametów paliwa na wielkość emisji SO 2 Rynek paliwowy ofeuje węgiel kamienny o zawatości siaki od 0,3 do 1,5% oaz watości opałowej od 16,7 do 29,3 MJ/kg. Dla węgla kamiennego o takich paametach obliczono stężenia SO 2 podczas spalania całkowitego i zupełnego, wyażone dla spalin suchych w waunkach nomalnych pzy 6% zawatości tlenu w spalinach. Znając skład paliwa stałego, wyznaczono V t ss teoetyczną objętość spalin suchych pzy λ = 1 m 3 /kg, t V p teoetyczne zapotzebowanie powietza do spalania danego paliwa m 3 /kg oaz V s zeczywistą objętość spalin [m 3 /kg].
gdzie: gdzie: gdzie: t t N V ss = 0,01866 ( C + 0,375 S ) + 0,79V p + 0,8 (1) 100 C zawatość piewiastka węgla [%], S zawatość siaki [%], N zawatość azot u [%]. H zawatość wodou [%], O zawatość tlenu [%]. V 0333 69 t p = 0,0889( C + 0,375S ) + 0,265H 0, O (2) V = V s t ss 21 O p 21 O O p początkowa zawatość tlenu w spalinach [%], O k końcowa zawatość tlenu w spalinach [%]. Pzykład. Dla węgla kamiennego o składzie chemicznym: C = 76%, S = 0,8%, O = 11%, N = 0,9%, H = 3%, z 1 tony paliwa otzymano 16 kg SO 2, V ss t = 5,77 m 3 /kg, V p t = 7,29 m 3 /kg, V s = 8,08 m 3 /kg, stężenie SO 2 = 1979 mg/m 3. Wyniki analogicznych obliczeń dla óżnych mocy cieplnych źódła w waunkach odpowiadających standadom emisyjnym pzedstawiono na ys. 5 i 6. Oś y pokazuje watości emisji SO 2 w [mg/m 3 ], zaś oś x ukazuje wielkość zasiaczenia paliwa, natomiast poszczegól-ne poste odpowiadają óżnym watościom opałowym węgla. Na ysunku 5 pzedstawiono standady emisji SO 2 dla źódeł o mocy cieplnej od 5 do 100 MW oddanych do użytku pzed dniem 29 maca 1990. (Załącznik n 1). Szczegółowej analizie poddano standady emisji ze źódeł o mocy cieplnej od 5 do 100 MW ze względu na duże znaczenie lokalne tych źódeł. Na ysunku 5 pokazano m.in., że dla źódeł o mocy cieplnej do 5 MW działających pzed dniem 27 listopada 2003. po zaostzeniu standadów emisji SO 2 od 1 stycznia 2008., aby mogły one je spełnić bez instalacji odsiaczania, to pzy spalaniu węgla kamiennego o watości opałowej 20 MJ/kg zasiaczenie paliwa nie może być większe niż 0,48%. Użytkownik ma ównież do swojej dyspozycji inne ozwiązanie polegające na tym, że w wypadku pozostania pzy paliwie o tej samej zawatości siaki, aby spełnić nowe zaostzone standady emisyjne, musi zastosować paliwo o większej watości opałowej. Analogicznie, dla watości opałowej ównej 26 MJ/kg zasiaczenie węgla kamiennego do 0,62% gwaantuje dla tych źódeł spełnienie wymaganych standadów emisji SO 2. Jednocześnie na ysunku 5 pokazano ównież, że dla źódeł o mocy cieplnej od 50 do 100 MW działających pzed dniem 27 listopada 2003. spełnienie wymaganych standadów emisji SO 2 ze względu na dostępny na ynku paliwowym asotyment węgla kamiennego bez instalacji odsiaczania spalin jest badzo tudne. Jedynie kozystając z węgla kamiennego o watości opałowej większej od 22 MJ/kg pzy jednoczesnym zasiaczeniu do 0,35%, źódła te spełniałyby wymagania ozpoządzenia o standadach emisyjnych. Altenatywą do spełnienia nowych standadów dla źódeł od 50 do 100 MW jest zmiana paliwa z węgla kamiennego na paliwo gazowe. k (3)
70 Na ysunku 6 pzedstawiono emisję SO 2 ze spalania całkowitego i zupełnego węgla kamiennego o óżnej watości opałowej oaz zamieszczono standady emisji SO 2 dla źódeł o mocy cieplnej od 5 do 100 MW oddanych do użytku po dniu 28 maca 1990. Na podstawie ysunków 5 i 6 można oszacować efekty emisyjne wynikające ze zmiany takich paametów paliwa, jak watość opałowa i zawatość siaki. Jednocześnie na podstawie tych wykesów można okeślić ównież, czy zmiana paametów paliwa wystaczy do spełnienia nowych standadów emisji, któe będą obowiązywać od dnia 1 stycznia 2008. Rys. 5. Emisja SO 2 ze spalania węgla kamiennego oaz standady emisji dla źódeł o mocy cieplnej od 5 do 100 MW, oddanych do użytku pzed dniem 29 maca 1990. Fig. 5. Emission and standads emission SO 2 fom coal combustion fo heating powe souces fom 5 to 100 MW given back to the use befoe 29.03.1990 4. Wnioski 1. Obowiązujące Rozpoządzenie Minista Śodowiska w spawie standadów emisji z instalacji z dnia 20 gudnia 2005. najbadziej estykcyjnie co do obniżenia emisji SO 2 z dniem 1 stycznia 2008. dotyczy źódeł o mocy cieplnej powyżej 100 MW. Wymusza to konieczność stosowania oczyszczania spalin pochodzących z dużych jednostek kotłowych lub wykozystanie paliw altenatywnych o niskiej zawatości siaki. Paliwa altenatywne mogą być spalane samodzielnie lub w mieszance z węglem kamiennym.
2. Użytkownicy źódeł o mocy cieplnej do 50 MW mogą osiągnąć obniżenie emisji SO 2 gwaantujące spełnienie aktualnych standadów emisji pzez zmianę paametów paliwa, takich jak watość opałowa i zawatość siaki. Rozwiązanie to powinno być tańsze od budowy instalacji odsiaczania spalin i stosowania dotychczasowego paliwa. 3. Dla źódeł o mocy cieplnej powyżej 50 MW do spełnienia standadów emisji SO 2 konieczna jest instalacja odsiaczania spalin, któej minimalna spawność jest uzależniona od mocy cieplnej źódła (dla kotła o mocy 50 MW wynosi 25%, a dla kotła 500 MW 83%). 4. Kwestia standadów emisyjnych ulegnie poważnym zmianom z chwilą wpowadzenia nowej definicji źódła emisji zgodnie z Dyektywą 2001/80/WE Palamentu Euopejskiego i Rady z dnia 23 paździenika 2001. w spawie oganiczenia emisji niektóych zanieczyszczeń do powietza z dużych źódeł spalania paliw ( dyektywa LCP ). 71 Rys. 6. Emisja SO 2 ze spalania węgla kamiennego oaz standady emisji dla źódeł o mocy cieplnej od 5 do 100 MW, oddanych do użytku po dniu 28 maca 1990. Fig. 6. Emission and standads emission SO 2 fom coal combustion fo heating powe souces fom 5 to 100 MW given back to the use afte 28.03.1990 Liteatua [1] Rozpoządzenie MOŚZNiL z dnia 12 lutego 1990. w spawie ochony powietza pzed zanieczyszczeniem. [2] Rozpoządzenie MOŚZNiL z dnia 8 wześnia 1998. w spawie wpowadzania do powietza substancji zanieczyszczających z pocesów technologicznych i opeacji technicznych.
72 [3] Rozpoządzenie MŚ z dnia 30 lipca 2001. w spawie wpowadzania do powietza substancji zanieczyszczających pocesów technologicznych opeacji technicznych. [4] Rozpoządzenie MŚ z dnia 4 siepnia 2003. w spawie standadów emisyjnych z instalacji. [5] Rozpoządzenie MŚ z dnia 20 gudnia 2005. w spawie standadów emisyjnych z instalacji. [7] Infomacje Katowickiego Holdingu Węglowego: http://www.khw.pl. [8] Dyektywa 2001/80/WE Palamentu Euopejskiego i Rady z dnia 23 paździenika 2001. w spawie oganiczenia emisji niektóych zanieczyszczeń do powietza z dużych źódeł spalania paliw. [9] Pomiay cieplne, cz. II, paca zbioowa pod ed. K u l e s z a J., WNT, Waszawa 1993.