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

e-mail: mieczyslaw.a.gostomczyk@pwr.wroc.pl

e-mail: moderator.za@juglan.pl

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 > 1250^oC.

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”;