piątek, 2 listopada 2012

Autoryzowana publikacja nr I


Technologie ograniczenia emisji zanieczyszczeń z kotłów rusztowych

Mieczysław Adam Gostomczyk, Janusz Bronisław Bauerek

Zespół autorski reprezentowany komercyjnie przez JUGLAN Sp. z o.o.,
ul. Paprotna 8, 51-117 Wrocław


Opracowanie ma na celu przedstawienie możliwości ograniczenia emisji zanieczyszczeń, oraz obniżenie kosztów wytwarzania energii. Na wstępie zostaną przedstawione dwie technologie redukcji szkodliwych emisji, oraz technologia spalania różnych materiałów w istniejących instalacjach, głównie w zakładach energetyki cieplnej. Wymienione technologie są efektem wieloletnich prac naukowo - badawczych Głównego Konsultanta Zespołu autorskiego prof. dr hab. inż. Mieczysława A. Gostomczyka [1], sprawdzonych w ostatnich latach w skali przemysłowej w kraju i zagranicą. Wdrożenia przemysłowe nadają im status komercyjny. 

Redukcja szkodliwych emisji

Pozwolenie zintegrowane (PZ) określa, między innymi szczegółowo dopuszczalne emisje gazów odlotowych. W omawianym przypadku należy wyróżnić dwa rodzaje zakładów:

1.         elektrociepłownie i ciepłownie miejskie spalające materiał węglowy;
2.         spalarnie odpadów;

Zespół Autorski opracował dla tej grupy zakładów technologie spełniające najsurowsze wymogi prawne.

Uwarunkowania

Oczyszczanie spalin powstających w kotłach rusztowych spalających węgiel jest problemem wymagającym specjalnego podejścia. Uwzględniając szeroki zakres zmienności stężeń zanieczyszczeń w spalinach, oraz zmienne obciążenie kotła, bardzo trudne jest opracowanie skutecznej, taniej i łatwej w eksploatacji technologii oczyszczania spalin z kotłów rusztowych.

Powszechnie stosowana do usuwania SO2 technologia wapniakowa, polegająca na zraszaniu odpylonych spalin zawiesiną wapniaka, nie nadaje się ze względu na wysokie koszty inwestycyjne. Nie ma też możliwości ekonomicznego wykorzystania produktu CaSO4 - 2H2O, ze względu na zbyt małe ilości. Podobnie nieprzydatna jest metoda katalitycznej redukcji NOx, amoniakiem. (wysokie koszty inwestycyjne!)


Wiadomo, że stosowane w Polsce (w elektrowniach) technologie oczyszczania spalin powstały w USA, Japonii i Europie Zachodniej. W krajach tej strefy, od dawna już nie ma kotłów rusztowych spalających węgiel (zastąpiono je gazowymi i olejowymi) i w związku z tym nie było ani potrzeby, ani możliwości opracowania technologii oczyszczania spalin  z tych kotłów. W związku z tym, że w Polsce w najbliższym dwudziestoleciu nie zrezygnuje się z kotłów rusztowych spalających węgiel, należało opracować specyficzne technologie, nadające się do ograniczania emisji zanieczyszczeń z w/w kotłów. Uwzględniając szeroki zakres parametrów kotłów i możliwości eksploatacyjnych, opracowano następujące warianty technologiczne:


Metoda pierwotna, umożliwia ograniczenie emisji NOx, SO2, sadzy i CO z kotłów spalających węgiel, przez iniekcję do strefy spalania reduktora NO, utleniacza sadzy i CO, oraz sorbentu SO2.

Metoda wtórna polega na dobudowaniu po odpylaczach reaktora zraszanego sorbentem i utleniaczem. Zastosowanie reaktora umożliwia prawie całkowite usunięcie ze spalin SO2, NO, Hg i pyłu. Odpowiedni dobór sorbentu i utleniacza, umożliwia zastosowanie ciekłego produktu z oczyszczania, jako nawozu sztucznego. Paliwem w kotłach pozostaje węgiel.

Metoda TPO to zastosowanie przedpaleniska (piec obrotowy), w którym można spalać: osady ściekowe, muły, odpady niebezpieczne, część odpadów komunalnych, a praktycznie wszystko o wartości opałowej 6 - 35 MJ/kg. WARUNKIEM jest zastosowanie reaktora z metody wtórnej.

Metoda pierwotna [2]

Jest systemem ograniczenia szkodliwych emisji do atmosfery, metodą pierwotnego oczyszczania spalin w palenisku kotła przy zastosowaniu instalacji wtrysków.

Zasada procesu:

iniekcja do strefy spalania kotła roztworu wodnego sorbentu X, który zmniejsza stężenie NOx, CO i sadzy, oraz sorbentu Y, który zmniejsza stężenie SO2. Technologię wdrożono na 3 kotłach WR-25, a uzyskane w czasie eksploatacji wyniki potwierdziły skuteczność oczyszczania spalin. 



Opis techniczny:

Sorbent X ze zbiornika jest pompowany do kolektora, który ma za zadanie dostarczyć sorbent X do dysz dwustrumieniowych (ciecz-sprężone powietrze) wprowadzonych króćcami do kotłów. Na końcu lanc jest komora mieszania, w której następuje dynamiczne wymieszanie sorbentu z powietrzem. Lance zakończone są dyszami mającymi za zadanie utworzenie mgiełki aerozolowej wprowadzanej do komory spalania kotła. Dysze dozują miliardy cząsteczek powietrza i sorbentu, które:

1.                  tworzą reakcje chemiczne z emitowanymi szkodliwymi  związkami;
2.                  poprzez strumień cząsteczek sprężonego powietrza, jako powietrze wtórne powodują:
                     dodatkowe napowietrzanie;
                     tworzenie warstwy fluidalnej związków stałych , sadzy i podziarna węgla;
3.                  wpływają na dopalenie:
                     sadzy,
                      cząsteczek podziarna węgla,
                     związków powstałych w wyniku gazyfikacji spalin.

Dobór sorbentów, zależny od spalanego paliwa!

IOS jest tak zaprojektowana, aby bez względu na zmianę:

1.                  parametrów spalanego opału,
2.                  zmianę norm emisyjnych;

mogła spełniać swoją rolę. Elementy zastosowanych mechanizmów w żadnym przypadku nie ulegają zmianie, natomiast poprawne efekty uzyskuje się:

1.                  zmianą komponentów sorbentu X;
2.                  stężeniem sorbentu X;
3.                  strumieniem przepływu sorbent – powietrze;

Dostosowanie się kotłowni do wytycznych w Licencji, umożliwia nie przekraczanie emisji dopuszczalnej, przy zmianie parametrów kotła i zmianach paliwa.


Metoda wtórna [3]

Polega na wbudowaniu reaktora na odcinku pomiędzy odpylaczem a wentylatorem. Jest to metoda mokra, polegająca na oczyszczaniu spalin w specjalnej konstrukcji reaktorze poziomym (łatwość obsługi), zraszanym specjalnymi sorbentami i utleniaczami.


Metoda ta umożliwia usuwanie SO2, NOx, HCl, HF, Hg i innych metali ciężkich do dowolnie niskiego poziomu np. dopuszczalnych stężeń dla spalarni odpadów. Produkty procesu oczyszczania mogą być stosowane jako płynny, lub stały nawóz potasowo – azotanowo - siarczanowy.


Spaliny z kotła płynące kanałem 2 przy przymkniętej zasuwie 1, muszą wpłynąć do kanału 3  i górnej części zbiornika 4. W kanale 3 umieszczone zostaną 4 dysze cieczowe 5 zraszane wodnym roztworem sorpcyjnym ze zbiornika 4 przez pompy 6. Wstępnie ochłodzone spaliny uderzają o lustro barbotowanej cieczy ( przez sprężone powietrze ze sprężarki 7) i wpływają do reaktora 8. W pochyłym reaktorze 8 zainstalowanych jest 16 dysz cieczowych (sekcja I) zasilanych ze zbiornika 4 pompami 6. Każda dysza ma wydatek 2 m3/h (razem 20 dysz) co daje stosunek L/G = 2 (2 litry roztworu na 1 m3 spalin).

Dysze cieczowe z sorbentem SO2 zainstalowane są w sekcji I reaktora 8. W sekcji II do ochłodzonych do temperatury ~ 50 oC i pozbawionych SO2 spalin, przez 4 dysze 9 wprowadzany jest wodny roztwór H2O2 ze zbiornika 10 przez pompy 11. Roztwór H2O2 jest rozpylany przez dysze dwustrumieniowe zasilane sprężonym powietrzem ze sprężarki 7 (lub  z sieci zakładowej). Wydatek każdej dyszy to 0,3 m3/h. W wyniku iniekcji do spalin H2O2 nastąpi utlenienie NO, Hg i w spalinach powstaną krople HNO3 i Hg(NO3)2, należy je usunąć podając do dysz cieczowych 12 sorbent, pompami 13 ze zbiornika sorbentu 14. Proces ten zachodzi w III sekcji reaktora 8. Oczyszczone spaliny przepływają w dalszej kolejności  przez odkraplacz 15, zmywany wodą przez układ 16. Ścieki z odkraplacza 15 stanowią uzupełnienie strat wody (odparowanie) w zbiorniku 4, lub podawane bezpośrednio (eżektor) do dysz 5. Oczyszczone i pozbawione kropel spaliny płyną do istniejącego kanału spalin 2, kanałem 18.
Analizę na zawartość SO2, NO, O2  i innych zanieczyszczeń, zapewnia układ pomiarowy 19.

Współspalanie

Dotychczasowa praktyka wdrożeniowa dowodzi, iż redukcja szkodliwych emisji jest bardzo kosztowna. Niezależnie od kosztów inwestycyjnych, zakłady produkcyjne są prawnie obligowane do wdrożeń, w dbałości o ochronę środowiska i międzynarodowe zobowiązania naszego kraju. Dyrektywy UE, ujęte w jedną całość pod nazwą IED (kraje członkowskie UE mają obowiązek wprowadzić Ustawy do 17 stycznia 2013 roku), ściśle określają nieprzekraczalne terminy wdrożeń. Nie spełnienie zobowiązań prawnych, skutkować będzie likwidacją danego zakładu.

Strategie gospodarcze polskich elektrowni już dwadzieścia lat temu doprowadziły do pierwszych inwestycji dotyczących odsiarczania spalin. W ostatnim okresie w ślad za „wielką energetyką” poszły duże elektrociepłownie. Pozostałe zakłady, szczególnie ciepłownie miejskie, pozbawione są takich możliwości z powodu braku technologii dla ich kotłów! Dodatkowo zarządy zakładów produkcyjnych, kierując się efektami ekonomicznymi przedsiębiorstwa, podejmowały trudne decyzje, dokonywania opłat karnych do WIOŚ, gdyż były one niewspółmiernie niższe od kosztów inwestycyjno – eksploatacyjnych instalacji ograniczeń szkodliwych emisji.
   
Zespół Autorski świadomy tych problemów, widząc ogromny potencjał w „małej energetyce”, opracował technologie spełniające oczekiwania inwestorów. Technologie realizują wymogi prawne, skuteczność i niezawodność ograniczania szkodliwych emisji, oraz docelowo w zastosowanym ciągu technologicznym (po okresie zwrotu kosztów inwestycji), poprawiają kondycję finansową przedsiębiorstwa. Dodatkowym efektem inwestycji, jest całkowite rozwiązanie narastającego problemu samorządów terytorialnych, dotyczącego polityki energetycznej i gospodarki odpadami.

TPO [4]

W odróżnieniu do stosowanych pojęć, określamy skrót TPO jako TERMICZNE PRZETWARZANIE OPAŁU. Określenie to powstało w wyniku poszukiwań takich rozwiązań, które w wyczerpujący sposób spełniają oczekiwania inwestorów energetyki cieplnej, a dotyczących:

1.                  ograniczenia szkodliwych emisji do środowiska naturalnego;
2.                  ekonomicznego uzasadnienia podjętych inwestycji.

Jak już wspomniano, punkt 1 jest bardzo kosztowny. Należy zakupić licencję użytkowania technologii, projekty, zbudować instalację i pokrywać koszty eksploatacji instalacji oczyszczającej spaliny. W przypadku braku dodatkowych rozwiązań, cena produktu finalnego (energii cieplnej, elektrycznej, pary technologicznej) wzrasta nieproporcjonalnie do możliwości nabywczych konsumentów. Poszukując rozwiązań dodatkowych, Zespół Autorski opracował technologię WSPÓŁSPALANIA różnych materiałów w procesach produkcyjnych, wytwarzania energii cieplnej i elektrycznej.

Kotły w ciepłowniach polskich, głównie opalane są węglem energetycznym „dobrej” jakości, co pociąga za sobą wysoką cenę opału. W obecnym stanie prawnym, szkodliwe emisje regulowane są jakością węgla, starannością załogi ciepłowni, oraz mało ekonomicznym spalaniu w kilku kotłach (częściowe ograniczenie termicznych tlenków azotu).

Ogólnie rzecz ujmując, materiałem spalanym jest węgiel kamienny najlepszej jakości. Istnieje jednak możliwość zastąpienia wysokoenergetycznego węgla, innym materiałem z niższą wartością energetyczną. Spełnić należy dwa podstawowe warunki:

1.                  wprowadzić do istniejącej instalacji przedpalenisko;
2.                  zainstalować technologię PIOS, metodą wtórną.

Dochodzi się tym sposobem do technologii współspalania, różnych materiałów o wartości opałowej od     Qr = 6 MJ/kg do  Qr = 35 MJ/kg. Poniżej przedstawiony Schemat blokowy, przedstawia pełny ciąg technologiczny adaptacji istniejącej kotłowni zakładu przemysłowego.


Baza danych:

Przedstawione poniżej dane i obliczenia są odniesieniem do rzeczywistych warunków statystycznej ciepłowni i mogą służyć do wykonania analiz obliczeniowych metodą porównawczą.

I. Zastosowane przedpalenisko, zaprojektowane jest do:

1.                  pracy 8000 godzin w ciągu roku;
2.                  spalania 6000 kg różnych materiałów na godzinę;
3.                  uzyskania temperatury spalin > 1250oC.

II. Koszty inwestycyjne, zależne od przyjętego wariantu i lokalizacji

III. Koszty eksploatacyjne, zależne od strumieni usuwanych zanieczyszczeń: SO2, NOx, Hg, CO, sadza

·         usunięcie 1kg SO2 = 2zł
·         usunięcie 1 kg NO2 = 4 zł
·         sadzy, CO i Hg bez kosztów, przy usuwaniu NOx utleniaczem.

PODSUMOWANIE

Zastosowanie danego wariantu technologii umożliwia eksploatację kotłowni, przy dopuszczalnej emisji zanieczyszczeń. Obniżenie kosztów wytwarzania energii zależy od lokalnych możliwości termicznej utylizacji odpadów.

LITERATURA:
  1.      [1] – Bibliografia                                                                                                                  
                    1.1. Gostomczyk M.A., Krzyżyńska R., Pilot-scale Testing of Low-Cost Multi-Pollutant Control In    
                        Poland, MEC -3, Katowice, Poland, 5-7 June 2006.
                 1.2. Gostomczyk M.A., Oryszczak J., Sposób usuwania NOx i SO2 ze spalin P-369911.
                 1.3. Gostomczyk M.A., Oryszczak J., Sposób dozowania stałych sorbentów do spalin P-369910.
                 1.4. M.A. Gostomczyk i In.: Sposób i urządzenie do podawania związków wapnia do kotła. Patent 
                       PL nr 164835, 1994.
                 1.5. M.A. Gostomczyk i In.: Urządzenie do wytwarzania i podawania mieszaniny wodno – 
                       powietrznej do reaktora. Patent PL nr 167472, 1995.
                 1.6. Program redukcji SO2 w energetyce zawodowej. Praca zbiorowa. Polskie Towarzystwo 
                       Elektrociepłowni Zawodowych, Warszawa 1995.
                 1.7. M.A. Gostomczyk i In.: Sposób oczyszczania gazów spalinowych z gazowych związków siarki. 
                       Patent PL nr 296213 P. 1995.
        
   2.      Technologie Zespołu autorskiego chronione w UP RP:

     2.1. [2] - P-395411 „System ograniczenia szkodliwych emisji do atmosfery, metodą pierwotnego    
            oczyszczania spalin w palenisku kotła przy zastosowaniu instalacji wtrysków”;
     2.2. [3] - P–393684 „Metoda instalacji urządzeń redukujących niebezpieczne związki gazów 
            odlotowych na odcinku rurociągu w kotłowniach przemysłowych”;
     2.3. [4] -  P–378662 „Sposób utylizacji odpadów, zwłaszcza komunalnych”;




sobota, 25 sierpnia 2012

PIOS


Technologia P–393684 „Metoda instalacji urządzeń redukujących niebezpieczne związki gazów odlotowych na odcinku rurociągu w kotłowniach przemysłowych”, jest przez nasz Zespół autorski nazywana PIOS – (przemysłowa instalacja oczyszczania spalin).

Opis działania PIOS:

Główne cechy technologii obejmują:
  1. nowatorskie rozwiązania konstrukcyjne;
  2. kompleksowe oczyszczanie spalin w systemie Multi Pollution Control.
Wyszczególnienie tych cech, akcentuje przydatność technologii do wdrożeń w istniejących kotłowniach przemysłowych.

W większości zakładów istniejący teren wokół kotłowni jest zabudowany do tego stopnia, że konstruktorzy nie znajdują miejsca dla dalszych instalacji. W naszym rozwiązaniu nie ma znaczenia usytuowanie głównego urządzenia redukującego szkodliwe substancje, zwanego dalej reaktorem. Może być jak dotychczas w stosowanych technologiach w pozycji pionowej, lecz również w pozycji poziomej o małym kącie nachylenia, lub całkowicie zainstalowany w miejscu dotychczasowego rurociągu gazów odlotowych do komina. Jego konstrukcja z metalowej, została zastąpiona materiałem z kompozytów laminatów poliestrowo-szklanych GRP, wydłużających trwałość instalacji.

IOS – instalacje oczyszczania spalin w stosowanych dotychczas technologiach ograniczają się tylko do redukcji pyłów poprzez filtry workowe, elektrofiltry lub multicyklony, oraz do redukcji SO2. W naszej technologii P-393684 jednocześnie usuwane są szkodliwe substancje SO2, NOx, HF, SiF4, metale ciężkie, pyły, dioksyny i furany (Multi Pollution Control). Każde z zanieczyszczeń może być redukowane do takiego poziomu, jaki sobie życzy inwestor.

Główne cele PIOS mają na uwadze:
  1. ograniczenia stężeń SO2 i NOx  do poziomu 200 mg SO2/mi 200 mg NO2/m3 , oraz emisji rtęci o 50%. Dodatkowym efektem zastosowania mokrej technologii oczyszczania spalin jest zmniejszenie stężenia pyłu po instalacji do < 50 mg/m3;
  1. stosowanie ogólnie dla kotłów o strumieniu spalin do 400 000 m3 /h;
  1. zastosowania do oczyszczania spalin, poziomo-pochyłego reaktora wielofunkcyjnego, w którym następuje kolejno: ochłodzenie spalin i usuwanie SO2, utlenianie NO i Hg0, oraz dalsze usuwanie SO2, SO3, HCl, HF, pyłu, NO2, HNO3, Hg(NO3)2 i odkroplenie spalin.
  1. stosowania takich sorbentów, które umożliwiałyby uzyskiwanie z roztworów posorbcyjnych nawozów sztucznych (ciekłych lub stałych) np. NH4NO3, (NH4)2SO4, KNO3, K2SO4, Mg(NO3)2,  MgSO4;
  1. wykorzystanie kompozytów poliestrowo-szklanych GRP;
Zasada działania:

Spaliny z kotła kierowane są do odpylaczy. Za odpylaczami następuje wstępne zraszanie strumienia spalin, obniżające temperaturę spalin, (ochłodzenie do 50 – 60 oC), co umożliwia sorpcję SO2, SO3, HCl, HF. Tlenek azotu NO jest praktycznie nierozpuszczalny w wodzie i podobnie jak pary Hg0, przepływają przez mokrą instalację oczyszczania spalin. Konieczna jest iniekcja utleniaczy do ochłodzonych spalin (temp. < 60 oC). Spaliny po przepłynięciu przez układ schładzania i utleniania spalin będą już częściowo oczyszczone z kwaśnych zanieczyszczeń. Układ oczyszczania umożliwia przede wszystkim usunięcie ze spalin produktów utleniania, czyli kropli HNO3 i Hg(NO3)2, oraz wyższych tlenków azotu: N2O3, NOi N2O5.

Stopień usunięcia zanieczyszczeń zależy od intensywności zraszania w części reaktora rurowego z kompozytów, w którym umieszczone są lance, zakończone dyszami. Konstrukcja dyszy tworzy idealną mgiełkę aerozolową, inicjującą miliardy cząsteczek sorbentów, z których kilka na raz reaguje z jedną szkodliwą cząstką gazów odlotowych.

Technologia PIOS jest po próbach w skali przemysłowej i daje możliwość przystosowania istniejącej kotłowni do TPO - termicznego przetwarzania odpadów, gdyż redukuje szkodliwe emisje do atmosfery na poziomie najsurowszych norm UE, natomiast pozostałości stałe i ciekłe oczyszczania stanowią komponenty nawozu sztucznego dla rolnictwa.

Zamieszczona poniżej animacja przedstawia technologię PIOS:



Pozdrawiam: Janusz

poniedziałek, 12 marca 2012

Know - how

Dotychczasowe króciutkie opracowania tutaj publikowane, miały za zadanie przybliżyć sprawy dotykające każdego z nas. Chcemy mieć oświetlenie, ciepłą wodę, ciepło w okresie zimowym, itd. W publikacjach branżowych tego typu tematy, kierowane są głównie do osób zaangażowanych zawodowo i w większości napisane językiem fachowym, niezrozumiałym dla ogółu społeczeństwa, które nieświadome istoty spraw technologicznych i technicznych, jest płatnikiem wytwarzanej energii. Wykazane było także, na jakie dodatkowe problemy i koszty narażone są zakłady produkcyjne, głównie w zakresie szkodliwych emisji. W podsumowaniu każdorazowo, były propozycje rozwiązywania istniejących problemów, naszymi POLSKIMI TECHNOLOGIAMI. Aby czytelnik był przekonany, że omawiane sprawy mają rzeczywiste zastosowanie zamieszczono kilka slajdów, opisujących bardziej szczegółowo technologie IW, PIOS, TPO, oraz przyjęte programy badawczo – wdrożeniowe, prezentowane głównie na konferencjach organizowanych w Ośrodku Badawczym.

Nasz Zespół Autorski mając w swoim dorobku wiele zgłoszeń do Urzędu Patentowego Rzeczypospolitej Polski, stosuje fundamentalną zasadę „idealne rozwiązania w przyrodzie są w swej istocie proste”. Nie oznacza to jednak, że procesy fizyko – chemiczne w naszych technologiach, nie są  skomplikowane. Wiele z tych rozwiązań jest ogólnie wiadomych:

1. wapno + dwutlenek siarki = gips, wie to cały „świat technologów”. Problem jednak w tym, że im więcej wapna tym więcej dwutlenku węgla;
2. ograniczając emisję pyłów (sadzy, drobin podziarna) dodatkowym natlenieniem powietrzem wtórnym, możemy doprowadzić do emisji tzw. gazu rozweselającego z tym, że "wesołość" nie będzie zdrowa;
3. tlenki azotu likwiduje się metodami amoniakalnymi, mocznikowymi, itp. Stosując te agresywne związki możemy zredukować tlenki azotu, lecz można także „rozpuścić metalowe płaszcze wodne" w kotłach;
4. węgiel aktywny poprzez mikropory i kanały mezopory wchłania dioksyny, furany, metale ciężkie. Nie należy jednak zapominać o możliwościach wybuchowych;

Można by tak wymieniać zagrożenia, które mają ogromny wpływ na żywotność urządzeń, ale przede wszystkim stanowią zagrożenie dla ludzi. To już nie są wartości wymierne, gdyż życie ludzkie jest bezcenne!!! Musimy mieć na uwadze sprawy, których do końca nie da się opisać w danej technologii, noszące miano KNOW – HOW, czyli wiedzieć jak. Dlatego mając świadomość, wynikającą z bezpośrednich rozmów z kontrahentami, dotyczącymi wykorzystywania publikowanych informacji do doraźnego likwidowania szkodliwych emisji, przez osoby nie przygotowane do wdrożeń, usunięto z bloga slajdy. W dalszym ciągu na blogu będą zamieszczane informacje, jednak nie dla technologów, lecz dla osób zainteresowanych rozwojem naszych POLSKICH TECHNOLOGII wyprzedzających postępowy zachód.

Dla technologów proponujemy prasę branżową i publikacje naukowe Pana Profesora, Głównego Konsultanta Zespołu Autorskiego.

Pozdrawiam: Janusz