INSTYTUT CHEMICZNEJ PRZERÓBKI WĘGLA CENTRUM INNOWACJI TECHNOLOGICZNYCH Zabrze sierpień 2006r. KRYTERIA ENERGETYCZNO-EMISYJNE IChPW NA ZNAK BEZPIECZEŃSTWA EKOLOGICZNEGO - NOWELIZACJA - 1. Wprowadzenie Tworzony w kraju zintegrowany system zarządzania energią i środowiskiem, którego istotnym elementem są nowe regulacje prawne [1-3], koncentruje się na problemach redukcji emisji zanieczyszczeń ze źródeł przemysłowych. Natomiast mała energetyka, która jest znaczącym udziałowcem całkowitej emisji zanieczyszczeń, w wyniku braku odpowiednich uregulowań prawnych pozostaje praktycznie poza obszarem możliwości ingerencji wymuszających stosowanie rozwiązań o odpowiednim poziomie technologicznym, gwarantującym dotrzymanie norm emisyjnych. Udział ogrzewnictwa indywidualnego oraz małych kotłowni przemysłowych i komunalnych w procesach wytwarzania energii w skali kraju szacuje się na 20-30 %, przy czym udział tego sektora w całości emisji zanieczyszczeń jest jeszcze większy, ze względu na zły stan techniczno-technologiczny znacznej części eksploatowanych instalacji. Mimo dynamicznego rozwoju konstrukcji małych kotłów na paliwa stałe w ostatnim dziesięcioleciu, ciągle jeszcze w znacznej części eksploatuje się urządzenia starej generacji, o niskiej sprawności cieplnej oraz wysokich wskaźnikach emisji zanieczyszczeń. Niskie kominy stosowane w małej energetyce są przyczyną podwyższonej koncentracji zanieczyszczeń powietrza na poziomie przygruntowym, która na obszarach silnie zurbanizowanych może osiągać poziomy niebezpieczne. Pierwszy w kraju program ograniczania tzw. niskiej emisji, czyli emisji zanieczyszczeń z małych kotłowni indywidualnych, komunalnych i przemysłowych, zainicjowano w 1995r. na Śląsku. Program Czyste spalanie węgla dla ograniczenia niskiej emisji był wynikiem ustaleń podjętych na spotkaniu Ministrów: Ochrony Środowiska, Zasobów Naturalnych i Leśnictwa, Gospodarki Przestrzennej i Budownictwa oraz Przemysłu i Handlu, które miało miejsce w Urzędzie Wojewódzkim w Katowicach. Inicjatywa ta zapoczątkowała okres intensywnego rozwoju badań procesowych oraz doskonalenia technik spalania i konstrukcji kotłów węglowych małej mocy. W latach 1995-1998 w Instytucie Chemicznej Przeróbki Węgla w Zabrzu wykonano prace, które przygotowały techniczne podstawy standaryzacji procedury oceny energetycznoemisyjnej paliw stałych i kotłów małej mocy oraz opracowano założenia systemu atestacji kotłów. W IChPW wybudowano odpowiednie stanowisko badawcze, wyposażone w wysokiej klasy aparaturę kontrolno-pomiarową. Zespół atestacyjny wyposażono także w przewoźną aparaturę badawczą, umożliwiającą wykonanie badań atestacyjnych w miejscu użytkowania
kotła (w przypadku kotłów większej mocy, których nie można dostarczyć do Instytutu). Opracowano metodę kompleksowej oceny efektywności ekologiczno-energetycznej paliwa, kotła lub układu paliwo-kocioł. Procedury badawcze stosowane w procesie atestacji uzyskały w 1996r. certyfikat PCBC (aktualnie certyfikat akredytacji PCA Nr AB 081). W 1999r. w Instytucie Chemicznej Przeróbki Węgla (przy współpracy Ministerstwa Środowiska, Wydziału Ochrony Środowiska i Rolnictwa Śląskiego Urzędu Wojewódzkiego oraz Wojewódzkiego Funduszu Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej w Katowicach) opracowano kryteria energetyczno-emisyjne na znak bezpieczeństwa ekologicznego dla kotłów małej mocy na paliwa stałe, które do chwili obecnej wypełniają lukę w unormowaniach legislacyjnych dotyczących sektora ogrzewnictwa indywidualnego i komunalnego. W 1999r. powstały Założenia do programu ograniczenia niskiej emisji na terenie województwa śląskiego, opracowane przez Instytut Chemicznej Przeróbki Węgla w Zabrzu, Ośrodek Badań i Kontroli Środowiska w Katowicach oraz Główny Instytut Górnictwa w Katowicach na zlecenie Wojewódzkiego Funduszu Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej w Katowicach. Efektywną realizację programu zapewniło uruchomienie w 2001r. szwajcarsko-polskiego funduszu dofinansowania zadań z zakresu obniżenia zanieczyszczeń powietrza na terenie województwa śląskiego, którym zarządzał WFOŚiGW w Katowicach. W trakcie realizacji proekologicznych modernizacji kotłowni węglowych wspomaganych tym funduszem został wdrożony i pozytywnie zweryfikowany opracowany w IChPW system atestacji ekologiczno-energetycznej kotłów małej mocy na paliwa stałe, który następnie bardzo szybko rozpowszechnił się na terenie całego kraju. Badania atestacyjne stanowią podstawę do wystawiania producentom kotłów świadectw badania na znak bezpieczeństwa ekologicznego, które dokumentują spełnianie przez ich wyroby ustalonych kryteriów. Znaczna część producentów kotłów dobrowolnie poddaje swoje wyroby tej atestacji, zaś urzędy i instytucje dysponujące środkami pomocowymi na realizację przedsięwzięć proekologicznych coraz częściej wykorzystują wyniki atestacji w procesach decyzyjnych, co dopinguje branżę produkcji kotłów do podnoszenia jakości wyrobów. 2. Krajowe kotły małej mocy na paliwa stałe - analiza wyników badań Wyniki kilkuset badań atestacyjnych wykonanych w Instytucie Chemicznej Przeróbki Węgla w Zabrzu wskazują na coraz wyższy poziom jakości zgłaszanych do badań kotłów, zarówno pod względem uzyskiwanej sprawności energetycznej, jak i wskaźników emisji zanieczyszczeń. Analizę jakości krajowych kotłów małej mocy na paliwa stałe, wykonaną na podstawie charakterystyk zgłoszonych do badań w latach 2001-2006 kotłów, które spełniły ustalone przez Instytut Chemicznej Przeróbki Węgla kryteria energetyczno-emisyjne i uzyskały pozytywne świadectwo badania na znak bezpieczeństwa ekologicznego, (do chwili obecnej wystawiono 275 świadectw badania na znak bezpieczeństwa ekologicznego dla poszczególnych typoszeregów kotłów) przedstawiono w postaci wykresów na rysunkach 1-3. Wyniki badań przedstawiono w porządku chronologicznym, według kolejności wydanych świadectw badania na znak bezpieczeństwa ekologicznego (oś X ), wyznaczając linie trendu zmian w okresie lat 2001-2006.
5 400 y = -4,2967x + 1821,7 4 800 4 200 3 600 EMISJA CO [mg/m 3 ] 3 000 2 400 1 800 1 200 600 0 0 50 100 150 200 250 Rys. 1. Wskaźniki emisji tlenku węgla CO dla kotłów zgłoszonych do badań atestacyjnych w latach 2001-2006 150 y = -0,0962x + 74,127 125 EMISJA TOC [mg/m 3 ] 100 75 50 25 0 0 50 100 150 200 250 Rys. 2. Wskaźniki emisji zanieczyszczeń organicznych TOC dla kotłów zgłoszonych do badań atestacyjnych w latach 2001-2006
100 y = 0,0132x + 81,874 95 90 SPRAWNOŚĆ [%] 85 80 75 70 0 50 100 150 200 250 Rys. 3. Sprawność cieplna kotłów zgłoszonych do badań atestacyjnych w latach 2001-2006 Analiza wskazuje na korzystną ewolucję konstrukcji kotłów na przestrzeni lat 2001-2006 w kierunku poprawy jakości spalania (widoczny trend obniżania się wskaźników emisji CO - rys.1 oraz TOC - rys.2) oraz efektywności układów wymiany ciepła (widoczny trend wzrostu sprawności cieplnej - rys.3). Czołowe miejsca zajmują kotły z palnikami automatycznymi (z ciągłym, automatycznie sterowanym załadunkiem paliwa oraz regulowaną ilością powietrza wprowadzanego do komory spalania). Do tej grupy zaliczają się kotły z palnikami podsuwowymi, zasilane węglem w sortymencie groszek lub miał. Na rysunkach 4-5 przedstawiono w postaci wykresów warstwowych porównanie wskaźników emisji tlenku węgla oraz zanieczyszczeń organicznych dla badanych w IChPW kotłów, które spełniły kryteria na znak bezpieczeństwa ekologicznego (kolorem szarym oznaczono wykresy dla kotłów z okresowym załadunkiem paliwa, kolorem czarnym - dla kotłów z palnikami automatycznymi). Wyniki badań uszeregowano w porządku malejącym (oś X ), niezależnie od chronologicznej kolejności wydanych świadectw badania na znak bezpieczeństwa ekologicznego. Na rysunku 6 przedstawiono porównanie uzyskiwanych sprawności cieplnych. Na przedstawionych wykresach wyraźnie widoczna jest jakościowa dominacja rozwiązań konstrukcyjnych z palnikami automatycznymi, zarówno pod względem uzyskiwanej sprawności cieplnej, jak i wskaźników emisji zanieczyszczeń gazowych.
Rys. 4. Wskaźniki emisji CO dla kotłów zgłoszonych do badań atestacyjnych w latach 2001-2006 Rys. 5. Wskaźniki emisji TOC dla kotłów zgłoszonych do badań atestacyjnych w latach 2001-2006
Rys. 6. Sprawność cieplna kotłów zgłoszonych do badań atestacyjnych w latach 2001-2006 3. Kryteria energetyczno-emisyjne dla kotłów małej mocy na paliwa stałe Aktualnie obowiązujące w Polsce standardy emisyjne w zakresie wprowadzania gazów lub pyłów do powietrza, wprowadzone rozporządzeniem Ministra Środowiska w roku 2003 [3], dotyczą źródeł o nominalnej mocy cieplnej nie mniejszej niż 1,0 MW. Dla źródeł o nominalnej mocy cieplnej do 1000 kw w Polsce nie obowiązują obecnie żadne akty prawne normujące poziomy emisji zanieczyszczeń do środowiska. W praktyce gospodarczej producenci i użytkownicy kotłów, jednostki badawcze, urzędy oraz instytucje dofinansowujące działania proekologiczne wykorzystują opracowane w 1999r. przez Instytut Chemicznej Przeróbki Węgla w Zabrzu kryteria energetyczno-emisyjne na znak bezpieczeństwa ekologicznego dla kotłów małej mocy na paliwa stałe, które wypełniają lukę w unormowaniach legislacyjnych. Uszczegółowioną analizę wyników badań atestacyjnych kotłów małej mocy na paliwa stałe z lat 2001-2005 przedstawiono na załączonych wykresach nr 1-8. Wykazała ona, że stan techniki w sektorze produkcji kotłów małej mocy pozwala na weryfikację opracowanych w 1999r. kryteriów w kierunku ich zaostrzenia, z pożytkiem dla jakości powietrza w Polsce. Znowelizowane kryteria energetyczno-emisyjne na znak bezpieczeństwa ekologicznego dla kotłów małej mocy na paliwa stałe przedstawiono w poniższej tabeli. Dla kotłów klasy B przyjęto dotychczasowe kryteria z 1999r., dla klasy A - znowelizowane zaostrzone kryteria opracowane w roku 2006. Typ kotła Klasa kotła Sprawność cieplna [%] CO [mg/m 3 ] NO 2 * 2 [mg/m 3 ] Wskaźniki emisji * 1 PYŁ TOC [mg/m 3 ] [mg/m 3 ] 16WWA [mg/m 3 ] B(a)P [µg/m 3 ] Kotły z okresowym załadunkiem paliwa B A 75 80 5000 1200 400 400 200 125 150 75 15 5 150 75
Kotły z automatycznym załadunkiem paliwa B A 78 80 3000 1200 600 400 150 125 100 75 5 5 100 75 * 1 Dopuszczalne ilości zanieczyszczeń w suchych gazach odlotowych w warunkach normalnych, przy zawartości tlenu 10 % * 2 Tlenki azotu w przeliczeniu na NO 2 TOC - całkowite zanieczyszczenia organiczne WWA - wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne, 16 WWA wg EPA B(a)P - benzo(a)piren Kryteria przyjęte dla kotłów klasy A w zakresie emisji CO i pyłu odpowiadają kryteriom klasy 3 (najwyższej) według Polskiej Normy PN-EN 303-5 Kotły grzewcze - Część 5: Kotły grzewcze na paliwa stałe z ręcznym i automatycznym zasypem paliwa o mocy nominalnej do 300 kw - Terminologia, wymagania, badania i oznakowanie, ustanowionej przez Polski Komitet Normalizacyjny dnia 17 kwietnia 2002 r. (norma ta jest oficjalnym tłumaczeniem europejskiej normy EN 303-5:1999, która normuje graniczne wartości emisji dla kotłów o mocy nominalnej do 300 kw). Graniczne wskaźniki emisji substancji organicznych w kryteriach na znak bezpieczeństwa ekologicznego są bardziej rygorystyczne od PN-EN 303-5, tak samo jak wskaźnik emisji NO 2, który według PN- EN 303-5 nie jest normowany. Graniczne wartości emisji ze spalania paliw stałych według normy PN-EN 303-5 przedstawiono w poniższej tabeli. PALIWO Nominalna moc cieplna w kw Graniczne wartości emisji mg/m 3 przy 10 % O 2 * 1 CO OGC * 2 pył 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 > 50 do 150 12500 5000 2500 1500 200 100 200 180 150 >150 do 300 12500 2000 1200 1500 200 100 200 180 150 do 50 25000 8000 5000 2000 300 150 180 150 125 paliwo > 50 do 150 12500 5000 2500 1500 200 100 180 150 125 kopalne >150 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 > 50 do 150 12500 4500 2500 1250 150 80 200 180 150 >150 do 300 12500 2000 1200 1250 150 80 200 180 150 do 50 15000 5000 3000 1750 200 100 180 150 125 > 50 do 150 12500 4500 2500 1250 150 80 180 150 125 paliwo kopalne >150 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) Znowelizowane kryteria energetyczno-emisyjne na znak bezpieczeństwa ekologicznego dla kotłów małej mocy na paliwa stałe, zaostrzone w związku z postępem w zakresie rozwiązań konstrukcyjnych kotłów w ostatnich latach, zostały zaakceptowane przez
środowisko producentów i użytkowników kotłów na paliwa stałe na konferencji naukowotechnicznej zorganizowanej w I połowie 2006r. 4. Kryteria energetyczno-emisyjne dla paliw stałych Aprobatę uzyskała również przedstawiona propozycja kryteriów kwalifikacyjnych paliw stałych dla ogrzewnictwa indywidualnego i komunalnego oraz powiązania kryteriów oceny kotłów i paliw w jeden spójny system klasyfikacyjny. Opracowane kryteria kwalifikacji paliw stałych przedstawiono w poniższej tabeli. Parametr Jedn. Kryteria kwalifikacyjne Zawartość popiołu, A a % 12 Analiza techniczna Wartość opałowa, Q r i MJ/kg 24 Zawartość siarki całkowitej, S a t % 1 Spiekalność -Liczba Rogi, RI 20 Temperatura spiekania popiołu w atmosferze utleniającej, T S(O) Temperatura mięknienia popiołu w atmosferze utleniającej, T A(O) C 900 C 1200 Ditlenek siarki, SO 2 [mg/m 3 ] 1100 Stężenie zanieczyszczeń w spalinach * 1 Tlenek węgla, CO [mg/m 3 ] 1200 Tlenki azotu, NO 2 * 2 [mg/m 3 ] 400 Pył [mg/m 3 ] 125 Całkowite zanieczyszczenia organiczne, TOC Wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne, 16 WWA wg EPA [mg/m 3 ] 75 [mg/m 3 ] 5 Benzo(a)piren, B(a)P [µg/m 3 ] 75 * 1 Dopuszczalne ilości zanieczyszczeń w suchych gazach odlotowych w warunkach normalnych, przy zawartości tlenu 10 % * 2 Tlenki azotu w przeliczeniu na NO 2 Kryterium kwalifikacyjne dla emisji SO 2 ustalono na poziomie identycznym jak w Rozporządzeniu Ministra Środowiska z dnia 20 grudnia 2005r. w sprawie standardów emisyjnych z instalacji dla źródeł o nominalnej mocy < 5 MW (według załącznika nr 3), przeliczając przyjęty standard emisyjny z 6 % na 10 % tlenu w spalinach, zgodnie z ustaleniami normy PN-EN 303-5. Pozostałe kryteria emisyjne dla paliw są spójne z kryteriami dla kotłów w nowowprowadzonej klasie A. Badania energetyczno-emisyjne paliw stałych wykonuje się poprzez spalanie w wytypowanych kotłach testowych (zasilanych: paliwem grubokawałkowym > 30 mm, średniokawałkowym 5-30 mm i drobnokawałkowym 0-20 mm), z zastosowaniem metodyki badawczej identycznej jak w badaniach kotłów.
Poziom zawartości siarki całkowitej w węglu, odpowiadający przyjętemu kryterium emisyjnemu SO 2 wyznaczono w oparciu o analizę wyników wykonanych badań energetyczno-emisyjnych. Zależność tę przedstawiono na poniższym wykresie. 2200 Emisja SO 2 [mg/m 3 ] 1100 y = 1001,9x R 2 = 0,5764 0 0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 1,00 1,10 1,20 1,30 Zawartość siarki całkowitej w węglu [%] 5. Podsumowanie System atestacji kotłów małej mocy na paliwa stałe oparty na opracowanych w IChPW kryteriach energetyczno-emisyjnych na znak bezpieczeństwa ekologicznego już od kilku lat stanowi podstawę działań w kierunku eliminacji z krajowego ogrzewnictwa indywidualnego i komunalnego urządzeń będących poważnym źródłem niskiej emisji, negatywnie wpływającej na warunki życia lokalnych społeczności. Wdrożenie systemu wpłynęło również na istotny wzrost przeciętnej sprawności cieplnej kotłów małej mocy na paliwa stałe, z poziomu 60-70 % do ponad 80 %. Wyniki badań atestacyjnych wykonanych w Instytucie Chemicznej Przeróbki Węgla w Zabrzu wskazują na coraz wyższy poziom jakości zgłaszanych do badań kotłów, zarówno pod względem uzyskiwanej sprawności energetycznej, jak i wskaźników emisji zanieczyszczeń. Poziom techniczny krajowych producentów kotłów jest jednakże silnie zróżnicowany. Część spośród nich, dysponująca odpowiednim zapleczem warsztatowym i kulturą techniczną pracowników, decyduje się na przeprowadzenie badań atestacyjnych i uzyskuje pozytywny atest na znak bezpieczeństwa ekologicznego. Z drugiej strony natomiast trzeba zwrócić uwagę, że znaczna część kotłów sprzedawanych w kraju nie jest zgłaszana do badań energetyczno-emisyjnych (ze względu na brak przymusu prawnego w tym zakresie). Praktyka wskazuje, że wskaźniki emisyjne tych urządzeń znacznie odbiegają na niekorzyść od stosowanych w kraju kryteriów. Znowelizowane kryteria energetyczno-emisyjne ułatwią realizację regionalnych programów ograniczania niskiej emisji i wpłyną na dalszą poprawę jakości powietrza w Polsce, stanowiąc podstawę intensyfikacji działań w kierunku uporządkowania rynku
kotłów małej mocy na paliwa stałe w celu eliminacji wyrobów odstających negatywnie od aktualnego stanu techniki w tym zakresie. Literatura [1] Ustawa z dnia 27 kwietnia 2001 r. - Prawo ochrony środowiska, Dz. U. Nr 62 poz.627, 2001, z późn.zm. [2] Uchwała Sejmu Rzeczypospolitej Polskiej z dnia 8 maja 2003 r. w sprawie przyjęcia Polityki Ekologicznej Państwa na lata 2003-2006 z uwzględnieniem perspektywy na lata 2007-2010, Monitor Polski Nr 33 poz.433, 2003 [3] Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 20 grudnia 2005 r. w sprawie standardów emisyjnych z instalacji, Dz.U. Nr 260 poz.2181, 2005 Opracował: dr inż. Jacek Zawistowski Dyrektor Centrum Innowacji Technologicznych Instytutu Chemicznej Przeróbki Węgla w Zabrzu