Kadm i rtęć w produkcji energii z paliw stałych w energetyce rozproszonej Krystyna Kubica, Politechnika Śląska, Gliwice
Plan prezentacji mała energetyka rozproszona, SCIs technologie, techniki spalania paliw stałych w SCIs zachowanie rtęci w procesie spalania zawartość rtęci w paliwie - wskaźniki emisji emisja rtęci w EU z SCIs czystsze technologie spalania paliw stałych w sektorze mieszkaniowym emisja rtęci i kadmu z SCIs (sektor komunalny i mieszkaniowy i w Polsce) moŝliwości ograniczenia emisji Hg i Cd z sektora mieszkaniowego
Produkcja energii, spalanie paliw instalacje LCP, SCIs Instalacje spalania duŝej mocy LCP >50MWth Zasady: zapobiegania zanieczyszczeniom zrównowaŝonego rozwoju Dyrektywy: NR 96/61 /WE, IPPC w/s zintegrowanego zapob. zaniecz. NR 96/62/ EC w sprawie oceny i kontroli jakości powietrza Nr 80/EC w sprawie ograniczenia emisji do powietrza Nr 81/EC w sprawie górnej granicy krajowych emisji do powietrza niektórych substancji Instalacje spalania małej mocy SCIs 50MWth Dyrektywy???: Brak uregulowań UE ZróŜnicowana moc: średnie (M) 50-20MWth małe (M) 20-1MWth bardzo małe (VS) < kilku kw - 1MWth RóŜne sektory (komunalny, mieszkaniowy, rolnictwo, przemysł), róŝne technologie, róŝne paliwa Uwarunkowania: Ekonomia!!! Technika Ekologia BAT i/lub Dobre Praktyki!!
Organizacja procesu spalania Technologie, techniki spalania organizacja procesu spalania (wielkość ziarna, homogenizacja mieszanki paliwowej i tlenu, temperatura, czas przebywania w strefie utleniania) pyłowe (w strudze) fluidalne w warstwie (złoŝe stacjonarne) - SCIs Zanieczyszczenia: PICs - CO, TOC, VOCs, NVOCs, WWA, PCDD/Fs (toksyczne zanieczyszczenia organiczne), pył TSP, PM2.5 i PM10, metale cięŝkie (Hg, Cd, Pb, As) oraz NOx Właściwości fizykochemiczne paliwa C, H, N, S, Cl,O,F popiół - metale cięŝkie Zanieczyszczenia: pył TSP (PM10, PM2.5), metale cięŝkie (Hg, Cd, Pb, As, Ni, V..), SOx, NOx, PCDD/Fs Sposoby redukcji emisji Pierwotne proces, paliwo Wtórne technologie oczyszczania spalin, procesy redukcji (katalizatory, dopalanie itp.)
Strategia tematyczna czystego powietrza (Clean Air For Europe CAFE) Komunikat Komisji dla Rady i Parlamentu Europejskiego Bruksela, COM(2005) 447 21.9.2005 Instalacje spalania małej mocy (SCIs) < 50 MWth IPPC dla źródeł o mocy <50 MWth? dyrektywa eko wzoru dla SCIs (normy techniczne, standardy emisji, jakości paliwa) EuPs Eco-design DYREKTYWA ekowzoru (2005/32/EC etykietowanie energii, energetyczna efektywność budynków z uwzględnieniem audytu instalacji produkcji energii; DYREKTYWA 2002/91/EC z dnia 16 grudnia 2002 r. dotycząca jakości energetycznej budynków Projekty badawcze SCIs DGTREN: Cost and environmental effectiveness of reducing air pollution for small-scale combustion installations - AEATechnology UK, 2003-2004 Costs and environmental effectiveness of options for reducing mercury emissions to air from small-scale combustion installations - AEATechnology UK, NILU Polska 2005-2006 Small Combustion Installations; Draft of Chapter for Emission Inventory Guidebook (2004-2006) - Kubica K., Paradiz B., Dilara P., Klimont Z. i inni Preparatory Studies for Eco-design Requirements of EuPs (II) [TREN/D3/390-2006/Lot15/2007/S07.74922] 2007-2009; S. Mudgal, L. Turunen BIO IS France, R. Stewart M. Woodfield, AEAT UK, K. Kubica, R. Kubica ITT SUT POLAND
SPALANIE w SCIs emisja rtęci w krajach UE 56% 28% SO2 Power sector SCIs Other sources 16% NOx 30 25 Nat totals Power sector SCIs PM10 Emission (tonnes) 20 15 10 5 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% Non Ind. SCIs Ind. SCIs LCP Emission from LCP and SCIs; Pye S. at al.. AEAT/ED48256/Draft Final Report 2004 0 PL ES DE FR IT RO GB TR BG SK GR BE CZ CH IE CY DK PT AT HU SE FI NO SL NL LT EE LU LV Country Emission of Hg; Kubica K., Kubica R., Pacyna J., NILU Polska, Brussels, September 2005
Emisja Hg z SCIs w UE Dystrybucja emisji Hg w róŝnych sektorach SCIs w EU25 11% 21% 3% Projected Prognoza % contribution to mercury emisji emission Hgtotals z by SCIs fuel type ze (SCIs) spalania róŝnych paliw 2002 Solid_fuels Liquid_Fuels 26% Gaseous_fuel Biomass 3% 9% 62% 2010 2020 46% 36% Industrial Comm_Inst Residential AFF 65% 57% 18% 17% 5% 13% 8% Kubica K., Kubica R., Pacyna J., NILU Polska; Brussels, September, 2005
Czystsze technologie, redukcja emisji oraz redukcja zuŝycia energii pierwotnej czystsze paliwa stałe: zawartość popiołu, siarki, metali cięŝkich (min. As, Cd, Cr, Cu, Hg, Ni, Pb, itd.), uziarnienie (dobór do technologii spalania) Technika spalania dolnego wcałej objętości złoŝa. SPALINY Warstwa paliwa A Piecokuchnie Piece ceramiczne Piece stałopalne Kotły komorowe Technika spalania górnego wczęści objętości złoŝa. SPALINY C czystsze technologie spalania w warstwie: maksymalizacja sprawności energetycznej (pierwotne metody) minimalizacja obciąŝenia dla środowiska (min. emisji: CO, NOx, SOx, TOC, oczyszczanie spalin (wtórne metody) POWIETRZE Technika spalania dolnego wczęści objętości złoŝa. Warstwa Warstwa paliwa paliwa SPALINY Kotły komorowe POWIETRZE B Warstwa paliwa DOZOWANIE PALIWA Kotły retortowe Kotły komorowe miałowe POWIETRZE NATURALNYDOPŁYW Maksymalizacja przetworzenia energii chemicznej paliwa w energię uŝyteczną, minimalizacja obciąŝenia dla środowiska!!! K. Kubica, ITC Politechnika Śląska; Węgiel w komunalnej polityce eko-energetycznej, Zabrze, marzec 2008
Przemiany rtęci w procesie spalania reakcje chemiczne F. Frandsen, K. Dam-Johansen, P. Rasmussen, Prog. Energy Combustion Science 20 (1994) 115 138. Reakcja HgO(g) Hg 0 (g) + 2O 2 (g) HgCl 2 (g) + H 2 O(g) HgO(g) + 2HCl(g) Temperatura spalin, o C 320 b, 680 c 430 c HgSO 4 (s) HgO(g)+SO 2 (g)+ 1 / 2 O 2 (g) 320 HgO(s) HgO(g) HgSO 4 (s) +Cl 2 HgCl 2 (g)+so 2 (g)+o 2 (g) 170 a 110 c a- wykluczając obecność HgSO4(s) w modelu; b- przy braku chloru; c- w obecności chloru; (s)-postać stała; (g)-postać gazowa
Specjacja rtęci dla paliw stałych instalacjach małej mocy w energetyce rozproszonej Przewidywana specjacja rtęci w spalinach ze spalania węgli energetycznych U.S.-EPA R&D, Prep. by NRMRL;,,Control of mercury emissions from coal-fired electric utility boilers ; Office of Air Quality Planning and Standards
Zawartość rtęci w paliwie - wskaźniki emisji Paliwo Wegiel kamienny Zawartość Hg mg/kg 0.01 0.615 (0,211) Wskaźnik emisji mg/gj 0,39 24,34 (5,35) Koks <0,04 <1,5 Paliwo bezdymne <0,03 <1,0 Drewno 0,013-0,071 0,9 4,4 Kora 0,08 0,8 5,0 50,0 Słoma 0,018 0,059 1,0 9,0 S Pye, G. Jones, R. Stewart, M. Woodfield, K. Kubica, R. Kubica, J. Pacyna; Costs and environmental effectiveness of options for reducing mercury emissions to air from small-scale combustion installations; AEAT/ED48706/Final report v2
Emisja Hg z SCIs w UE 1800 1600 1400 1200 Hg contents mg/mg 1000 800 600 400 200 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 Sample no. Zawartość rtęci w polskim węglu S Pye, G. Jones, R. Stewart, M. Woodfield, K. Kubica, R. Kubica, J. Pacyna; Costs and environmental effectiveness of options for reducing mercury emissions to air from small-scale combustion installations; AEAT/ED48706/Final report v2
Wskaźniki emisji rtęci specjacja emitowanej rtęci Hg Hg 0 Niepewność Paliwo Instalacja spalania (gaz.) Hg+2 (zaadsorb. Pomiaru, % pyle); Hg PM Piece / Kominki 0.3 0.35 0.35 50-150 Kotły ręcznie zasilane paliwem 0.4 0.4 0.2 50-150 Węgiel Kotły automatycznie zasilane 50-150 0.5 0.4 0.1 paliwem Kotły ręcznie zasilane paliwem 0.6 0.3 0.1 100-300 Biomasa Kotły automatycznie zasilane 0.65 0.3 0.05 100-300 paliwem Kubica K., Paradiz B., Dilara P., Klimont Z., Kakareka S., Dębski B.; Small Combustion Installations; Chapter for Emission Inventory Guidebook ; UNECE Task Force on Emission Inventories and Projections, (2006), pp. B 1-96; http://reports.eea.europa.eu/emepcorinair4/en/b216v2.pdf
Energetyka rozproszona małej mocy w Polsce Emisja Hg i Cd Spalanie poza przemysłem sektor komunalny i mieszkaniowy Gospodarstwa domowe Cd [kg] Hg [kg] - 9,0 mln ton (230 337 TJ) węgiel kam. 17 082,0 936,0-0,25 mln ton (2 566 TJ) węgiel brun. 1 577,1 11,1 - (102 500 TJ) drewno opał. 102,5 41,0 Usługi - 1,21 mln ton (30 831 TJ) węgiel kamienny 1 632,2 246,6 Leśsnictwo, rolnictwo i inne - 1,6 mln ton (41 600 TJ) węgiel kamienny 3 036,8 166,4-0,25 mln ton (2 486 TJ) węgiel brun. 1 765,3 12.4 - Drewno opałowe (19 024 TJ) 19,0 7,6 Sumarycznie sektor komunalny i mieszkaniowy Cd 25 528,1 kg; 65,5% emisji krajowej Hg 1 472,8 kg; 10,1 % emisji krajowej RAPORT Krajowa Inwentaryzacja..; KOBIZE Warszawa luty 2011
Zawartość rtęci w paliwie dane pomiarowe Paliwo Wegiel kamienny Zawartość Hg mg/kg 0.011 0.044 Zawartość Cd mg/kg 0,15 0,335 Pelety/drewno liściaste tereny miejskie 0,01/0,015-0,033 0,013/0,5-8,5 Słoma 0,011 0,014 0,24 0,35 Opracowanie technologii niskoemisyjnego spalania paliw stałych węgla i biomasy, w kotłach małej mocy oraz strategii ich wdraŝania, K.Kubica i inni, Raport ITC Politechnika Śląska nr PBR-16/RIE-6/2007 Proj. Nr R06 009 03 2007-2011
Emisja rtęci w paliwie oszacowanie w oparciu o pomiary Emisja rtęci w kotłach małej mocy w 2007 roku E m isja, kg Emisja rtęci w kotłach małej mocy przy wskaźniku 4 mg/gj 800 700 600 500 400 300 200 100 0 2007 2008 Rok Kotły ręczne Kotły retortowe Emisja, kg Emisja, kg 900,0 800,0 700,0 600,0 500,0 400,0 300,0 200,0 100,0 0,0 900,0 800,0 700,0 600,0 500,0 400,0 300,0 200,0 100,0 0,0 Kotły ręczne, 4 mg/gj Kotły retortowe, 0,64 mg/gj Wskaźnik emisji Emisja rtęci w kotłach małej mocy w 2008 roku Kotły ręczne, 4 mg/gj Kotły retortowe, 0,64 mg/gj Wskaźnik emisji Opracowanie technologii niskoemisyjnego spalania paliw stałych węgla i biomasy, w kotłach małej mocy oraz strategii ich wdraŝania, K. Kubica i inni, Raport ITC Politechnika Śląska nr PBR-16/RIE-6/2007 Proj. Nr R06 009 03 2007-2011
MoŜliwości ograniczenia emisji Hg, Cd uciepłownienie zintegrowane sieci ciepłownicze, wykorzystanie nadmiarowego ciepła substytucja paliwowa węgiel - gaz, olej, OŹE produkcja, standaryzacja i certyfikacja kwalifikowanych sortymentów paliw węglowych (kompaktowane paliwa węglowe, biomasowe), zawartość popiołu, zawartość Hg czystsze technologie spalanie paliw stałych redukcja Cd, sumarycznie Hg, ale wzrost Hg pierwiastkowej w formie gazowej stosowanie urządzeń oczyszczających spaliny w instalacjach powyŝej 1 MWth (docelowo od 0,1 MWth) dobre praktyki produkcji energii cieplnej w sektorze mieszkaniowym, edukacja, wdroŝenie zintegrowanego systemu zagospodarowania odpadów komunalnych!! Niezbędne wsparcie mechanizmami finansowymi, programy ograniczania niskiej emisji (PONE)!
Dziękuję za uwagę!