Autoryzowana Publikacja nr VI

Sposób usuwania pyłów, SO₂, NOx, Hg, dioksyn i furanów ze spalin i gazów odlotowych pochodzących z małych źródeł emisji, oraz układ do jego realizacji. 

Janusz B. Bauerek, Ireneusz Orzechowski, Marek Szadurski

Zespół Autorski WNM

prawnie reprezentowany przez:

„JUGLAN” Sp. z o.o.

ul. Paprotna 8, 51-117 Wrocław 

e-mail: janusz.nestor@gmail.com, e-mail: io13@wp.pl, e-mail: marusi@poczta.fm

Wprowadzenie:

Przedmiotem publikacji jest sposób usuwania pyłów, SO₂, NOx, Hg, dioksyn i furanów ze spalin i gazów odlotowych pochodzących  z małych źródeł emisji, oraz układ do jego realizacji.

Podczas spalania wszelkiego rodzaju paliw, czy to w paleniskach czy silnikach spalinowych, powstają spaliny zawierające szkodliwe substancje stwarzające zagrożenie dla środowiska naturalnego, prowadzące do jego degeneracji. Problem dotyczy głównie tzw. „niskich emisji”. Szkodliwe substancje pochodzą przede wszystkim ze spalania materiałów węglowych w małych kotłach domków jednorodzinnych, warsztatów usługowych, mniejszych gospodarstw ogrodniczych i farm rolnych, itd. Do najbardziej toksycznych związków zawartych w spalinach należą między innymi: tlenki azotu (NOx), tlenki siarki (SOx), oraz w mniejszym stopniu tlenek węgla (CO), węglowodory (HC), rtęć (Hg), cząstki stałe (PM), oraz dioksyny i furany.

Unia Europejska wprowadza konsekwentnie zaostrzone normy emisji spalin do atmosfery. W związku z tym, celem głównym prac Zespołu Autorskiego WNM było rozwiązanie problemów związanych z wdrożeniem nowych regulacji prawnych, ograniczających emisję szkodliwych produktów spalania, a w szczególności wprowadzenie nowej technologii umożliwiającej ograniczanie emisji SO₂, NOx, Hg i pyłów.

Użytkownicy małych kotłów chcąc spełniać wymogi prawne mają do wyboru dwa warianty. Pierwszy to stosowanie ekologicznego paliwa spalanego w kotłach z rusztami retortowymi i podajnikami ślimakowymi, co jednak według Ich oceny jest bardzo drogie. Ekogroszek jest bardzo drogi, podobnie jak inwestycja związana z zakupem nowych kotłów ekologicznych. Drugi sposób to budowa instalacji oczyszczającej spaliny.

Ograniczone możliwości przestrzenne kotłowni mieszkaniowych, lub małych zakładów rolniczych i przemysłowych, lecz także w siłowniach okrętowych całkowicie eliminują możliwości stosowania technologii stosowanych w przemyśle, gdyż byłyby ekonomicznie nieopłacalne ze względu na koszty inwestycyjne i eksploatacyjne.

Zasada procesów:

Istotą technologii jest sposób ograniczenia szkodliwych emisji pyłów, SO₂, NOx, Hg, dioksyn i furanów z małych źródeł emisji charakteryzujący się tym, że spaliny z kotłów, lub innych gazów odlotowych np. z instalacji pirolizy opon, siłowni okrętowych, itd., kierowane są za źródłem wytwarzania do urządzenia wyposażonego w eżektorowy dozownik sorbentów oddziałujących tzw. „Metodą suchą” na spaliny, redukującymi w pierwszej fazie SO₂, a następnie NOx, Hg, dioksyn i furany.

Ważne jest to, że sorbentem redukującym SO₂ jest alkaliczny sorbent na bazie substratów wapna CaCO₃, natomiast sorbentem redukującym NOx, Hg, dioksyn i furany jest suchy produkt na bazie haloizytu – Al₂SiO₅(OH)₄.   Istotą jest także układ do ograniczenia emisji SO₂ i NOx  charakteryzujący się tym, że w znany system gazów spalinowych kotłowni, lub innych źródeł emisji włącza się przynajmniej jeden cyklon, w którym następuje rozprężenie gazów, wymieszanie z sorbentami i następnie separacja i odpylenie. Redukcja emisji odbywa się w cyklonie wyposażonym w układ zasilania sorbentami niezbędnymi do realizacji procesów chemicznych redukcji szkodliwych substancji, natomiast pyły redukowane są procesami fizycznymi siły odśrodkowej i grawitacyjnej.

Schemat ideowy przedstawiono na rysunku nr 1, który  przedstawia układ do zmniejszania emisji szkodliwych związków chemicznych i pyłów z małych źródeł wytwarzania energii cieplnej.

Dotychczas spaliny z małych kotłów zainstalowanych w wymienionych wcześniej obiektach wypływają kominem, lub kolektorem spalin bezpośrednio do otoczenia. Rozwiązanie w technologii powoduje wymuszony przepływ spalin przez instalację redukującą szkodliwe emisje, zwaną w dalszej cyklonem fizykochemicznym - CFCh.

Spaliny lub gazy odlotowe ze źródła wytwarzania 1 kanałem 2 wyposażonym w dyszę 3 transportowane są do CFCh. Dysza 3 ma za zadanie zwiększenie prędkości strumienia spalin. Dynamiczna prędkość ułatwia w CFCh wymieszanie spalin z sorbentami dla procesów chemicznych, a następnie  separację stałych substancji ze spalin procesami fizycznymi.

Ze zbiornika 4 następuje eżektorowo iniekcja mieszanki suchych sorbentów do dalszej części kanału 2, który wprowadza mieszankę spalin z sorbentami do CFCh. W górnej części urządzenia następuje rozprężenie spalin i wprowadzenie spalin z sorbentami w ruch wirowy. Dokładne wymieszanie w ruchu wirowym spalin z suchymi sorbentami doprowadza do reakcji chemicznych wiązania szkodliwych emisji SO₂, NOx, rtęci Hg i innych metali ciężkich wraz ze związkami pierścieniowymi (dioksyn i furany). Siła odśrodkowa ruchu wirowego separuje stałe substancje pyłów 5, wydalając je siłą grawitacyjną na zewnątrz urządzenia CFCh. Oczyszczone procesami chemicznymi i fizycznymi za pomocą wentylatora wyciągowego 8 kierowane są do kanału kominowego, lub kolektora wydechowego spalin silnikowych.

      Przykładowe wyniki prac:

W kotle o mocy 300 kW był spalany materiał na bazie mułu węglowego z osadników Zakładu Przetwórstwa Węgla kopalni Kompani Węglowej S.A. o parametrach: 

Tabela 1.

L.p.	Wartość w stanie roboczym	Parametr	Uwagi
1	Wartość opałowa - QR	15 MJ/kg
2	Zawartość popiołu - AR	25 %
3	Wilgotność - WR	18 %
4	Zawartość siarki - SR	0,9 %

Temperatura spalania w kotle w czasie badań wynosiła 650 ^oC. Analizatory zostały zastosowane w kanale spalin za kotłem i w kanale za urządzeniem CFCh. Tabela 2 przedstawia średni skład objętościowy suchych spalin przed i po procesach w urządzeniu.

Tabela 2.

L.p.	zawartość	Jedn.	Przed CFCh	Za CFCh
1	O2	%	17.5	18
2	CO2	%	6.5	3.0
3	SO2	ppm	160	40
4	CO	ppm	1000	300
5	NOx	ppm	25	7

Redukcja emisji w spalinach metali ciężkich, w tym rtęci:

W tej części publikacji Zespół Autorski WNM posiłkuje się wynikami badań Właściciela kopalni DUNINO.

Pomiary w skali przemysłowej wykazały, że w spalinach nastąpiła redukcja o 20 do 100 % zawartości następujących metali ciężkich: Zn, Cu, Cr, Cd, Co, As,V, Ba, Sr, Sn, Ag.

Diagram stężeń rtęci Hg

Zawartość rtęci w spalinach

Po zastosowaniu dodatku haloizytowego do sorbentu zawartość rtęci w spalinach zmniejszyła się z poziomu 5,74 [μg/m³] do poziomu 1,45-1,58 [μg/m³].Rtęć została zaabsorbowana przez haloizyt.

  Wnioski:

Technologia oczyszczania spalin metodą suchą w urządzeniu CFCh dla małych źródłach wytwarzania jest skuteczna i ekonomicznie uzasadniona. Sorbent na bazie kompozytów wapnia i haloizytu stosowany jest w małych ilościach nie przekraczających 3% wagowych spalanego materiału węglowego. W silnikach wysokoprężnych stosujących olej opałowy ciężki, redukcje szkodliwych emisji są także skuteczne i ekonomicznie uzasadnione. Natomiast w przypadku siłowni okrętowych, technologia wymaga atestacji Morskich Towarzystw Kwalifikacyjnych.

Bardzo istotnym jest także produkt posorpcyjny, który jest całkowicie nieszkodliwy do otoczenia, gdyż jest pylistym siarczanem amonu z trwale „zamkniętymi” metalami ciężkimi w MEZOPORACH haloizytu.

Końcowym wnioskiem jest BRAK konieczności wymiany kotłów lub stosowania paliw bardzo dobrej jakości, co niewątpliwie wpływa na możliwości nabywcze konsumentów.

Literatura:

1.    Wpływ dodatku haloizytu na proces spalania biomasy – prof. dr hab. inż. Marek Pronobis Politechnika Śląska, dr inż. Józef Sołtys PTH Intermark, Gliwice;

2.    Narodowy Instytut Zdrowia Publicznego – Państwowy Zakład Higieny, ATEST Nr PZH/HT-2626/2012;

3.    Wpływ modyfikowanego haloizytu na strukturę, właściwości  cieplne i mechaniczne poliamidu 6 – IZABELLA LEGOCKA, EWA WIERZBICKA, Instytut Chemii Przemysłowej im. prof. Ignacego Mościckiego;

4.    Zastosowanie wybranych glinokrzemianów jako adsorbentów amoniaku – Przemysł Chemiczny 2009/5, SEBASTIAN OPALIŃSKI,  MARIUSZ KORCZYŃSKI, ROMAN KOŁACZ, ZBIGNIEW DOBRZAŃSKI, KAMIL ŻMUDA