wtorek, 24 lutego 2015

Autoryzowana Publikacja nr IV

Formuła R-1, kryterium wydajności energetycznej w instalacjach odzysku energii z odpadów – IOEzO

Janusz Bronisław Bauerek, Ireneusz Orzechowski

Zespół Autorski WNM reprezentowany przez

EKOROZWÓJ Sp. z o.o

Zespół Autorski – Z.A. w oparciu o technologie własne posiada stosowne narzędzia technologiczne, techniczne i prawne do opracowania wymaganych wniosków o wydanie Zezwoleń i Decyzji na przetwarzanie i odzysk odpadów w formule R1. Jednocześnie posiada zdolność wybudowania instalacji, spełniającej wszelkie wymagania prawne, w oparciu o uzyskane decyzje administracyjne, instalacji będącej ciągiem technologicznym wykorzystującym do osiągnięcia efektu formuły R1 kilka technologii własnych współdziałających ze sobą. Oznacza to, że mamy możliwość przetworzenia na energię w ramach formuły R1 niżej wymienionych kodów odpadów:

03 03 07 Mechanicznie wydzielone odrzuty z przeróbki makulatury i tektury
07 02 80 Odpady z przemysłu gumowego i produkcji gumy
15 01 02 Opakowania z tworzyw sztucznych
15 01 05 Opakowania wielomateriałowe
15 01 06 Zmieszane odpady opakowaniowe
15 01 09 Opakowania z tekstyliów
16 01 03 Zużyte opony
16 01 19 Tworzywa sztuczne
17 02 03 Tworzywa sztuczne
19 12 10 Odpady palne (paliwo alternatywne)

Należy zauważyć również, że w ramach instalacji realizującej odzysk energii z ww. odpadów w ramach formuły R1 możemy również przetwarzać odpady o kodach:

19 03 Odpady stabilizowane lub zestalone
19 03 05 Odpady stabilizowane inne niż wymienione w 19 03 04
19 03 07 Odpady zestalone inne niż wymienione w 19 03 06
19 05 Odpady z tlenowego rozkładu odpadów stałych (kompostowania)
19 05 01 Nie przekompostowane frakcje odpadów komunalnych i podobnych
19 05 02 Nie przekompostowane frakcje odpadów pochodzenia zwierzęcego i roślinnego
19 05 03 Kompost nie odpowiadający wymaganiom (nie nadający się do wykorzystania)
19 05 99 Inne nie wymienione odpady
19 06 Odpady z beztlenowego rozkładu odpadów
19 08 Odpady z oczyszczalni ścieków nie ujęte w innych grupach
19 08 05 Ustabilizowane komunalne osady ściekowe
19 12 Odpady z mechanicznej obróbki odpadów (np. obróbki ręcznej, sortowania, zgniatania, granulowania) nie ujęte w innych grupach
19 12 01 Papier i tektura
19 12 04 Tworzywa sztuczne i guma
19 12 07 Drewno inne niż wymienione w 19 12 06
19 12 08 Tekstylia
19 12 12 Inne odpady (w tym zmieszane substancje i przedmioty) z mechanicznej obróbki odpadów inne niż wymienione w 19 12 11

Możliwość termicznego przetwarzania odpadów – TPO, klasyfikowanych według wyżej wymienionych kodów, została potwierdzona w ramach prowadzonych prawie dwuletnich prac nad doborem odpowiedniego zestawienia rozwiązań Z.A. chronionych w UP RP, dla linii technologicznej Instalacji Odzysku Energii z Odpadów IOEzO, spełniającej kryteria zgodnie z formułą R1 i w oparciu o niżej podane dane ilościowe statystycznego zakładu RIPOK dla frakcji odpadów z grupy 19 12:

Zmieszane odpady komunalne	65.000,0	Mg/rok
Frakcja podsitowa	50%
	32.500,00	Mg/rok
Frakcja inertna odseparowana z frakcji podsitowej	20%
	6.500,00	Mg/rok
Frakcja biodegradowalna do fermentacji	26.000,00	Mg/rok
Strukturant do procesu fermentacji	4.000,00	Mg/rok
Odpady bioderadowalne/selektywne	1.000,00	Mg/rok
Łącznie	31.000,00	Mg/rok
Wilgotność materiału wyjściowego (pofermentat)	60%
Ilość odwodnionego pofermentatu trafiającego na stabilizację tlenową	26.900,00	Mg/rok

Redukcja masy	20%
Masa stabilizatu	21.520,00	Mg/rok
Udział frakcji 0-20mm w stabilizacie	50%
	10.760,00	Mg/rok
Ustabilizowana frakcja 20-60mm	10.760,00	Mg/rok
Wilgotność frakcji ustabilizowanej	45%
Frakcja nadsitowa	50%
Surowce wtórne ze zmieszanych odpadów komunalnych	15%
	9.750,00	Mg/rok
Frakcja palna odpadów (preRDF)	9%
	5.850,00	Mg/rok
Balast końcowy	16.000,00	Mg/rok
	26%

Odcieki (instalacje biologicznego przetwarzania)
Fermentacja	7.000,00	m³/rok
Stabilizacja	2.000,00	m³/rok
Łącznie	9.000,00	m³/rok

Parametry odpadów:

191212 – balast końcowy

Wartość opałowa 6-8 MJ/kg,
Wilgotność – ok. 40%

191210- paliwo alternatywne

Wartość opałowa 18-20 MJ/kg
Wilgotność – ok. 20%

Pod pojęciem termicznego przekształcania odpadów rozumie się poza spalaniem odpadów przez ich utlenianie również inne procesy termicznego przekształcania odpadów, w tym pirolizę, zgazowanie, termiczne wyżarzanie i proces plazmowy, o ile substancje – paliwa powstające podczas tych procesów termicznego przekształcania odpadów są następnie spalane w ramach odzysku energii.

Instalacje takie powinny być projektowane, budowane, wyposażane i użytkowane w taki sposób, aby możliwe było osiągnięcie poziomu termicznego przekształcania i odzysku, przy którym ilość i szkodliwość dla życia, zdrowia ludzi lub dla środowiska naturalnego, odpadów i innych emisji powstających wskutek termicznego przekształcania odpadów będzie jak najmniejsza. Termiczne przekształcanie odpadów może być więc procesem unieszkodliwiania w Formule D10, bądź odzysku energii z odpadów w Formule R1, w zależności od rodzaju odpadu poddawanemu procesowi, oraz sposobu postępowania z energią powstającą w tych procesach.

Szczegółowe wymagania dotyczące prowadzenia procesu termicznego przekształcania odpadów oraz sposoby postępowania z odpadami powstałymi w wyniku termicznego przekształcania odpadów określa rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 21 marca 2002 r. w sprawie wymagań dotyczących prowadzenia procesu termicznego przekształcania odpadów (Dz. U. Nr 37, poz. 339, z późn. zm.).

Przepisy rozporządzenia stosuje się do wszelkich instalacji i urządzeń przekształcających termicznie odpady, z odzyskiem i bez odzysku energii, wykorzystujących procesy:

spalania,
pirolizy, zgazowania, wyżarzania, techniki plazmowe i inne,

w których produkty powstające w ich trakcie poddawane są spaleniu. Podczas procesu termicznego przekształcania odpadów, zwanego dalej „procesem”, minimalna temperatura w komorze spalania/przetwarzania nie może być niższa niż:

1250°C dla odpadów zawierających powyżej 1% związków chlorowcoorganicznych przeliczonych na chlor,
850°C dla odpadów zawierających do 1% związków chlorowcoorganicznych przeliczonych na chlor.

Przekształcenie termiczne odpadów powinno zapewniać odpowiedni poziom ich przekształcenia, wyrażony jako maksymalna zawartość nieutlenionych związków organicznych, której miernikiem mogą być oznaczane zgodnie z Polskimi Normami:

Całkowita zawartość węgla organicznego w ubocznych produktach i popiołach paleniskowych nie przekraczająca 3%.

lub

Udział części palnych w ubocznych produktach i popiołach paleniskowych nieprzekraczający 5%.

Pozostałości po termicznym przekształcaniu odpadów poddaje się odzyskowi, a w przypadku braku takiej możliwości — unieszkodliwia się, ze szczególnym uwzględnieniem unieszkodliwienia frakcji metali. Dopuszcza jednak się, również wykorzystanie pozostałości po termicznym przekształceniu odpadów do sporządzania mieszanek betonowych na potrzeby budownictwa, z wyłączeniem budynków przeznaczonych do stałego przebywania ludzi lub zwierząt oraz do produkcji lub magazynowania żywności.

Powyższych wymagań, nie stosuje się do termicznego przekształcania odpadów:

roślinnych, pochodzących z rolnictwa, leśnictwa,

roślinnych, pochodzących z przemysłu rolno-spożywczego, przekształcalnych z odzyskiem energii,

włóknistych, roślinnych, pochodzących z produkcji masy celulozowej wykorzystywanej do produkcji papieru, przekształcanych z odzyskiem energii w miejscu ich powstania,

drewna nie zanieczyszczonego impregnatami i powłokami ochronnymi,

korka,

powstałych z poszukiwań i eksploatacji ropy i gazu na platformach wydobywczych i spalanych na tych platformach,

zwierzęcych,

Mając na uwadze powyższe oraz szczegółowe wymagania dotyczące prowadzenia procesu termicznego przekształcania i odzysku w Formule R1, Zespół Autorski WNM potwierdza posiadanie własnych technologii, rozwiązań ciągów technologicznych oraz Instalacji Odzysku Energii z Odpadów, spełniające najsurowsze, ww. kryteria prawne ROZPORZÑDZENIA MINISTRA GOSPODARKI z dnia 21 marca 2002 r. w sprawie wymagań dotyczących prowadzenia procesu termicznego przekształcania odpadów z odzyskiem energii z zachowaniem narzuconej Formułą R1 efektywności energetycznej prowadzonego procesu.

W związku z powyższym po opracowaniu, oraz przeanalizowaniu danych z tabeli odpadów i ich frakcji, w ramach dostępnych, własnych rozwiązań technologicznych Z.A. uzyskano możliwość odpowiedniego, dedykowanego rozwiązania technologicznego, dla jednoczesnego zagospodarowywania niżej wymienionych frakcji odpadowych w ramach jednej instalacji odzysku energii z odpadów:

Lp.	Frakcje	Ilość
1	Balast końcowy frakcji nadsitowej	16.900,00 Mg/rok
2	Frakcja palna odpadów (preRDF)	5.850,00 Mg/rok
3	Ustabilizowana frakcja podsitowa 20-60 mm	10.760,00 Mg/rok
4	Frakcja podsitowa 0-20mm w sabilizacie	10.760,00 Mg/rok
5	Odcieki z instalacji i składowiska w łącznej ilości	9.000,00 m³/rok

Formuła R1. Wykorzystanie głównie jako paliwa lub innego środka wytwarzania energii^(*)

⁽*⁾Pozycja obejmuje również obiekty przekształcania termicznego przeznaczone wyłącznie do przetwarzania komunalnych odpadów stałych, pod warunkiem że ich efektywność energetyczna jest równa lub większa niż:

Ø 0,60 dla działających instalacji, które otrzymały zezwolenie zgodnie ze stosownymi przepisami wspólnotowymi obowiązującymi przed dniem 1 stycznia 2009 r.,

Ø 0,65 dla instalacji, które otrzymały zezwolenie po dniu 31 grudnia 2008 r.,

przy zastosowaniu następującego wzoru:

Efektywność energetyczna =

gdzie:

Ø Ep – oznacza ilość energii produkowanej rocznie jako energia cieplna lub elektryczna. Oblicza się ją przez pomnożenie ilości energii elektrycznej przez 2,6, a energii cieplnej wyprodukowanej w celach komercyjnych przez 1,1 (GJ/rok),

Ø Ef– oznacza ilość energii wprowadzanej rocznie do systemu, pochodzącej ze spalania paliw biorących udział w wytwarzaniu pary (GJ/rok),

Ø Ew – oznacza roczną ilość energii zawartej w przetwarzanych odpadach, obliczanej przy zastosowaniu dolnej wartości opałowej odpadów (GJ/rok),

Ø Ei – oznacza roczną ilość energii wprowadzanej z zewnątrz z wyłączeniem Ew i Ef (GJ/rok),

Ø 0,97 – jest współczynnikiem uwzględniającym straty energii przez popiół denny i promieniowanie.

Wzór ten stosowany jest zgodnie z dokumentem referencyjnym dotyczącym najlepszych dostępnych technik - BAT dla termicznego przekształcania odpadów.

Zgodnie z Ustawą o odpadach, procesem odzysku odpadów jest wykorzystanie głównie jako paliwa lub innego środka wytwarzania energii (R1), jeśli ich efektywność energetyczna jest równa lub większa niż 0,65.

R1 nie oddaje wydajności energetycznej instalacji (która jest > 80%) lecz wydajność odzysku prowadzonego przez instalację i jej wykorzystanie przez klientów (i instalację).

Współczynnik R1 nie jest wydajnością podaną w % (ze względu na współczynniki równoważne) lecz stosunkiem wyrażonym za pomocą liczb: 0.60, 0.65, a energia wykorzystana przez instalację liczona jest jako wyprodukowana. Dlatego znacznie łatwiej jest o zgodność z kryterium R1 w przypadku sprzedaży części ciepła.

Odzysk w Formule R1 (Wykorzystanie jako paliwa lub innego środka wytwarzania energii), wymieniony w załączniku 5 ustawy z dnia 27 kwietnia 2001 r. o odpadach (tekst jednolity: Dz. U. z 2010 r. Nr 185, poz. 1243, z późn. zm.), realizowany jest tylko i wyłącznie pod warunkiem, jeżeli wytwarzana energia wykorzystywana jest poza procesem termicznego przekształcania odpadów.

Podsumowując powyższe możemy potwierdzić, że posiadamy stosowne rozwiązania technologiczne do wybudowania instalacji lub Zakładu zagospodarowującego odpady o ww. kodach zgodnie z obowiązującymi przepisami prawa i ochrony środowiska w formule R1 zapewniającej osiągnięcie, wymaganej efektywności energetycznej > 0,65 i spełniającej wymogi dotyczące najlepszych dostępnych technik – BAT.

Techniki BAT wykorzystywane są jako podstawa określania granicznych wielkości emisyjnych, mających na celu eliminowanie emisji lub ograniczanie emisji i jej wpływu na środowisko jako całość. Zgodnie z art. 205 ustawy z dnia 27 kwietnia 2001 r. Prawo ochrony środowiska (tekst jednolity: Dz. U. z 2008 r. Nr 25, poz. 150, z późn. zm.), nieprzekraczanie wielkości emisji wynikającej z zastosowania BAT nie zwalnia prowadzącego instalację z obowiązku dotrzymania standardów jakości środowiska. Jeśli standardy jakości środowiska wymagają zastosowania surowszych wymagań niż wynikające z zastosowania BAT określa się je w pozwoleniu zintegrowanym – PZ.

Wymogi wynikające z zastosowania BAT określane są w dokumentach referencyjnych, tzw. BREF-ach (ang. BAT Reference Notes), a także mogą wynikać wprost z obowiązujących przepisów prawa oraz innych specyfikacji technicznych, poradników dobrych praktyk, norm technicznych itp. BREF-y opracowywane są przez Europejskie Biuro IPPC w Sewilli dla poszczególnych gałęzi przemysłu objętych dyrektywą IPPC i nie maja charakteru wiążącego, stanowią natomiast wytyczne podające zakres parametrów stosowanych procesów, technik i technologii ograniczania emisji dla poszczególnych rodzajów instalacji.

Według informacji zawartych w podstawowej Specyfikacji Technicznej CEN/TS 15359, stałe paliwo wtórne może być wytwarzane wyłącznie z odpadów innych niż niebezpieczne i stosowane, przetwarzane oraz poddawane odzyskowi tylko w instalacjach spełniających standardy emisyjne, wynikające z Dyrektywy 2000/76/EC. Wynika z tego, że odzysk energii z odpadów w Formule R1 w skali przemysłowej możliwy jest wyłącznie w zgodzie z przepisami dotyczącymi gospodarki odpadami, ze szczególnym uwzględnieniem procesu termicznego przekształcania odpadów i po uzyskaniu stosownych zezwoleń (przede wszystkim na prowadzenie działalności w zakresie odzysku odpadów w procesie R1, a także pozwoleń: na wprowadzanie gazów lub pyłów do powietrza, wodnoprawnego na wprowadzanie ścieków do wód lub do ziemi, na wytwarzanie odpadów lub pozwolenia zintegrowanego - PZ).

Przeprowadzenie opisanego powyżej postępowania w sytuacji dotrzymania stosownych standardów emisyjnych, a także innych wymagań niezbędnych dla prowadzenia procesu odzysku odpadów w Formule R1, winno zaowocować pozytywną decyzją organu samorządowego i udzieleniem stosownego zezwolenia.

Literatura:

1. Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady2010/75/UE z dnia 24 listopada 2010 r. w sprawie emisji przemysłowych (Dz. Urz. UE L 334 z17.12.2010, str. 17119),

2. ROZPORZĄDZENIE MINISTRA GOSPODARKI z dnia 21 marca 2002 r.w sprawie wymagań dotyczących prowadzenia procesu termicznego przekształcania odpadów,

3. Podstawa prawna: art. 41 ust. 2, ust. 3 pkt 2, art. 42 ust. 2 ustawy z dnia 14 grudnia 2012 r. o odpadach (Dz. U. z 2013 r. poz. 21)

4. BIP – Biuletyn Informacji Publicznej – Procedury załatwiania spraw:

Art. 41 ust. 1, ust. 2, ust. 3 pkt 2 oraz art. 42 ust. 2, ust. 3, ust. 4 ustawy z dnia 14 grudnia 2012 r. o odpadach (Dz. U. z 2013 r., poz. 21 ze zm.);
Rozporządzenie Ministra środowiska z dnia 9 grudnia 2014 r. w sprawie katalogu odpadów (Dz. U. z 2014 r., poz. 1923);
Ustawa z dnia 14 czerwca 1960r. Kodeks postępowania administracyjnego (Dz. U. z 2013 r. poz. 267, ze zm.);
Ustawa z dnia 16 listopada 2006r. o opłacie skarbowej (Dz. U. z 2014 r., poz. 1628 ze zm);
Rozporządzenie Ministra Finansów z dnia 28 września 2007 r. w sprawie zapłaty opłaty skarbowej (Dz. U. z 2007 r. Nr 187, poz.1330);
Art. 205 ustawy z dnia 27 kwietnia 2001 r. Prawo ochrony środowiska (tekst jednolity: Dz. U. z 2008 r. Nr 25, poz. 150, z późn. zm.);
Art. 35 ustawy z dnia 14 czerwca 1960r. Kodeks postępowania administracyjnego (Dz. U. z 2013 r. poz. 267, ze zm).

5. Najlepsze Dostępne Techniki – BAT, informacje na temat najlepszych dostępnych technik publikowane przez Komisję Europejską zgodnie zart. 16 ust. 2 dyrektywy 1996/61/WE z dnia 24 września 1996 r. dotyczącej zintegrowanego zapobiegania zanieczyszczeniom i ich kontroli (Dz. Urz. WE L 257 z 10.10.1996 str. 2640, z późn. zm.).,

sobota, 21 lutego 2015

Uratuj życie

środa, 21 stycznia 2015

Autoryzowana Publikacja nr III

12. Konferencja Naukowa Pol-Emis 2014

Inżynieria i Ochrona Powietrza

4-7 czerwca 2014 r., Karpacz

Badania nad ograniczeniem emisji NOx z kotła rusztowego WR-25

Mieczysław A. Gostomczyk, Janusz B. Bauerek

1. Wstęp

Redukcję tlenków azotu amoniakiem lub mocznikiem prowadzono już kilkadziesiąt lat temu. Rozwój tych technologii był hamowany przez znacznie tańsze metody pierwotne (stopniowanie powietrza, recyrkulacja spalin, kotły fluidalne). Zaostrzenie norm emisji (aktualnie 200 mg NO₂/m³_n i 6% O₂) wymusiło stosowanie skuteczniejszych i droższych metod ograniczania emisji NO_x. Najczęściej stosuje się: katalityczną SCR i niekatalityczną NSCR redukcję NO, amoniakiem lub mocznikiem, gdyż poprzednio stosowane metody nie zapewniają spełnienia aktualnych norm emisji (metody pierwotne 400-550 mg NO₂/m³_n, kotły fluidalne 300 mg NO₂/m³_n). Prekursorem procesu niekatalitycznej redukcji NO amoniakiem uznaje się Lyon'a 1975[1], który opatentował proces polegający na iniekcji NH₃ do spalin o temperaturze 850 - 1100 °C.

Analizując patenty z 1980 : 1982 r., Arand [2], [3] stwierdzamy że zasada procesu redukcji NO_x jest ta sama, zmieniają się tylko drobne szczegóły.

Proces Aranda [2] polega na iniekcji do strefy spalania mocznika (pył lub krople roztworu wodnego) w ilości 0,5 - 2 moli mocznika na mol NO. Temperatura procesu > 700°C, a czas kontaktu 0,001 - 10 sekund. Kolejny patent Aranda [3] 1982 świadczy o lepszym poznaniu problemów wynikających głównie ze złego wymieszania mocznika ze spalinami. Zwiększa się nadmiar mocznika 0,75 - 6 moli na mol NO, określa się nadmiar powietrza do paliwa jako 1,05 do 1,5 w stosunku do paliwa. Zwiększa się zakres temperatury iniekcji do 1038°C.
Brogan [4] opatentował proces polegający na iniekcji NH₃ do spalin o temperaturze 1370 - 1650°C, a następnie po schłodzeniu do ~ 1038°C wprowadzenie powietrza dopalającego, przy czym czas schłodzenia spalin do temperatury 1038°C powinien być rzędu 0,5 do 2 sekund. Kolejne publikacje uwzględniają już różnicę temperatur w miejscu zetknięcia się kropli roztworu mocznika z cząsteczką NO w spalinach.
Tang [5] stwierdził że iniekcja roztworu mocznika do strumienia spalin powinna mieć miejsce, przy minimalnej temperaturze 760 °C i przy bardzo dobrym wymieszaniu spalin z kroplami roztworu mocznika.
Knol [6] prowadził badania w kotle fluidalnym 1 MW i przy iniekcji mocznika (nadmiar 1,5) osiągnął skuteczność usuwania NO rzędu 76%.
Cho [7] stwierdził że lepszą skuteczność usuwania NO uzyskuje się jeśli roztwór mocznika podgrzeje się przed iniekcją do spalin.
Payne [8] wprowadza drobne krople roztworu mocznika do powietrza podawanego do komory spalania przez dysze OFA.
Phelps [9] idzie dalej i proponuje mieszanie roztworu mocznika z przegrzaną parą przed iniekcją do spalin.
Ishak [10] prowadził badania nad iniekcją do spalin o temperaturze 820 °C roztworu wodnego zawierającego 5% mocznika i uzyskał skuteczność usuwania NO = 69%.
Ellery [11] opatentował sposób umożliwiający (przy iniekcji roztworu mocznika do spalin), usuwanie NO i CO.

2. Badania skuteczności usuwania NO_x

Badania przeprowadzono na instalacji zamontowanej na jednym z 3 kotłów WR - 25. Przy wypadzie żużla z kotła 1(koniec komory spalania) zamontowano 2 dysze rozpylające roztwór mocznika na bardzo drobne krople. Układ podawania roztworu składał się ze zbiornika 2, pomp 3 z falownikami 4 i lancami dysz 5, do których ze sprężarki 6 podawano sprężone powietrze. Spaliny po przepłynięciu przez odpylacz 7 i wentylator, kierowano do komina, przed którym był analizator spalin 9 (NO, SO₂, CO, O₂, pył). Falowniki 4 były sterowane wynikami stężeń NO₂ i nastawione na stężenie 190 mg NO₂/m³_n. Przy spadku stężenia NO₂ następowało zmniejszenie strumienia mocznika podawanego do dysz 5.

Rys 1: Schemat instalacji do iniekcji roztworu mocznika

1 - kocioł WR - 25

2 - zbiornik wodnego roztworu mocznika

3 - pompy (1 + 1)

4 - falowniki (1 + 1)

5 - dysze dwustrumieniowe

6 - sprężarka

7 - odpylacz

8 - wentylator

9 - analizator NO (NO₂)

Badania przeprowadzono w czasie normalnej eksploatacji kotła WR - 25. Stałymi parametrami kotła był strumień węgla ~ 6 Mg/h. Każdy eksperyment trwał 3 godziny. Spaliny emitowane z kotła przepływały przez automatyczny układ analizatora mierzącego stężenie SO₂, NO_x, CO, O₂, ciągle mierzono też strumień spalin.

2.1. Badanie skuteczności usuwania NO_x w zależności od stężenia roztworu mocznika

Do strefy spalania kotła podawano w kolejnych eksperymentach strumień roztworu zawierający 30 kg mocznika. Uśredniano wyniki pomiarów co 30 minut. Wyniki badań zebrano w tabelach 1, 2, 3. Mierzone stężenia NO analizator przeliczał na NO₂ i 6% O₂. W związku z tym że zainstalowany był 1 analizator, stosowano następującą procedurę rejestrowania stężeń NO_x. Pierwsze stężenie NO_x bez iniekcji mocznika (średnie z 30 minut). Iniekcja mocznika i po 10 minutach, średnie stężenia NO_x, co 30 minut, 4 cykle pomiarowe. Wyłączenie iniekcji i po 10 minutach, pomiar końcowy (średni z 30 minut) L/p.6.

Jako stężenie NO_x przed eksperymentem, obliczano średnią z pomiaru NO_x przed iniekcją i po iniekcji (1 i 6).
Jako stężenie NO_x w warunkach eksperymentu obliczano średnie z 4 pomiarów, przy iniekcji mocznika (2 - 5).

2.1.1. Analiza wyników

Zebrane w tabelach 1 - 3 wyniki badań wskazują na możliwość uzyskania skuteczności usuwania NO_x ze spalin rzędu 70 - 73%, przy nadmiarze (wagowym) mocznika do NO rzędu 1,8 - 1,9 kg na 1 kg NO.

Skuteczność usuwania (redukcji) NO nieznacznie wzrasta wraz ze wzrostem stężenia mocznika w podawanym do strefy spalania wodnym roztworze z 70,73% do 72,92%.

Tabela 1: Wyniki badań skuteczności usuwania NO_x przy iniekcji do strefy spalania
kotła, roztworu zawierającego 30% mocznika (30 kg w 100 dm³).

Strumień spalin 45 720 m³_n/h, strumień mocznika 100 dm³/h

L.p.	NO₂	O₂	Średnie przed NO₂	Średnie po NO₂	Skuteczność usuwania NO₂
L.p.	mg/m³_n i 6% O₂	%	mg/m³_n	mg/m³_n	%
1	542,3	15,4		NH₂CONH₂:NO
2	158,7	15,3	24,472 kg NO₂/h	=1,88 kg/1kg NO
3	160,6	15,2	=15,96 kg NO/h
4	148,2	15,3
5	151,1	15,1
6	524,2	14,9	533,25	154,65	70,73

Tabela 2: Wyniki badań skuteczności usuwania NO_x przy iniekcji do strefy spalania
kotła, roztworu zawierającego 50% mocznika (30 kg w 60 dm³).

Strumień spalin 46 150 m³_n/h, strumień mocznika 60 dm³/h

L.p.	NO₂	O₂	Średnie przed NO₂	Średnie po NO₂	Skuteczność usuwania NO₂
L.p.	mg/m³_n i 6% O₂	%	mg/m³_n	mg/m³_n	%
1	524,9	15,1		NH₂CONH₂:NO
2	148,2	15,3	25,087 kg NO₂/h	=1,83 kg/1kg NO
3	142,5	15,2	= 16,36 kg NO/h
4	163,1	15,7
5	167,4	15,6
6	562,3	16,2	543,6	155,3	71,43

Tabela 3: Wyniki badań skuteczności usuwania NO_x przy iniekcji do strefy spalania
kotła, roztworu zawierającego 80% mocznika (30 kg w 37,5 dm³).

Strumień spalin 45 840 m³_n/h, strumień mocznika 37,5 dm³/h

L.p.	NO₂	O₂	Średnie przed NO₂	Średnie po NO₂	Skuteczność usuwania NO₂
L.p.	mg/m³_n i 6% O₂	%	mg/m³_n	mg/m³_n	%
1	534,2	15,5		NH₂CONH₂:NO
2	146,5	15,6	25,006 kg NO₂/h	=1,84 kg/1kg NO
3	142,6	15,7	=16,308 kg NO/h
4	149,5	15,8
5	152,1	15,6
6	556,8	15,8	545,5		72,92

2.2. Badania skuteczności usuwania NO_x w zależności od nadmiaru mocznika

Przeprowadzone w pkt 2.1. badania miały na celu sprawdzenie wpływu stężenia roztworu mocznika na skuteczność redukcji NO do N₂. Stosowno nadmiar mocznika rzędu 1,83 - 1,88 mola NH₃/mol NO (stechiometrycznie 60 kg mocznika reaguje z 60 kg NO).

Obciążenie kotła było podobne jak w pkt 2.1. (6 Mg/h).

Założono stały strumień roztworu podawanego do dysz = 100 dm3/h, ale zmienne stężenie odpowiadające odpowiedniemu nadmiarowi mocznika = 1, 2, 2,5 i 3 w stosunku do stechiometrii. Z poprzednich badań wynika że średnia emisja NO to 16 kg/h. Wyniki badań zebrano w tabelach 4, 5, 6 i 7.

Tabela 4: Wyniki badań skuteczności usuwania NO_x w zależności od nadmiaru
mocznika = 1 : 1 w stosunku do NO

Strumień spalin 46 470 m³_n/h, strumień mocznika 100 dm³/h (16%)

L.p.	NO₂	O₂	Średnie przed NO₂	Średnie po NO₂	Skuteczność usuwania NO₂
L.p.	mg/m³_n i 6% O₂	%	mg/m³_n	mg/m³_n	%
1	534,6	15,8		NH₂CONH₂:NO
2	263,4	15,6	24,73 kg NO₂/h	16,0 : 16,3 =
3	268,5	15,3	=16,3 kg NO/h	0,98
4	256,3	15,4
5	253,2	15,6
6	529,8	15,7	532,2	260,35	51,08

Tabela 5: Wyniki badań skuteczności usuwania NO_x w zależności od nadmiaru
mocznika = 2 : 1 w stosunku do NO

Strumień spalin 46 530 m³_n/h, strumień mocznika 100 dm³/h (32%)

L.p.	NO₂	O₂	Średnie przed NO₂	Średnie po NO₂	Skuteczność usuwania NO₂
L.p.	mg/m³_n i 6% O₂	%	mg/m³_n	mg/m³_n	%
1	547,3			NH₂CONH₂:NO
2	132,3		25,26 kg NO₂/h	32,0 : 16,47 =
3	128,6		=16,47 kg NO/h	1,94
4	130,7
5	127,2
6	538,5		542,9	129,7	76,11

Tabela 6: Wyniki badań skuteczności usuwania NO_x w zależności od nadmiaru
mocznika = 2,5 : 1 w stosunku do NO

Strumień spalin 47 080 m³_n/h, strumień mocznika 100 dm³/h (40%)

L.p.	NO₂	O₂	Średnie przed NO₂	Średnie po NO₂	Skuteczność usuwania NO₂
L.p.	mg/m³_n i 6% O₂	%	mg/m³_n	mg/m³_n	%
1	562,2	16,1		NH₂CONH₂:NO
2	104,2	15,6	26,14 kg NO₂/h	40,0 : 17,05 =
3	106,5	15,7	=17,05 kg NO/h	2,35
4	103,2	15,4
5	105,3	15,5
6	548,4	15,6	553,3	104,8	81,13

Tabela 7: Wyniki badań skuteczności usuwania NO_x w zależności od nadmiaru
mocznika = 3 : 1 w stosunku do NO

Strumień spalin 45 970 m³_n/h, strumień mocznika 100 dm³/h (48%)

L.p.	NO₂	O₂	Średnie przed NO₂	Średnie po NO₂	Skuteczność usuwania NO₂
L.p.	mg/m³_n i 6% O₂	%	mg/m³_n	mg/m³_n	%
1	552,6	16,0		NH₂CONH₂:NO
2	88,7	15,8	25,26 kg NO₂/h	78 : 16,47 =
3	93,4	15,9	= 16,47 kg NO/h	2,91
4	92,1	15,9
5	89,2	15,7
6	541,4	15,7	547,0	90,85	83,39

3. Analiza wyników badań

Przeprowadzone badania umożliwiły określenie parametrów procesu zmniejszania emisji NO_x z kotłów rusztowych. W związku z tym że badania prowadzono na kotle WR - 25, można przyjąć że wyniki na innych kotłach WR - 25 będą podobne.

W związku z tym że stężenia NO_x w spalinach z kotłów WR - 25 wynoszą od 400 - 600 mg NO₂/m³_n i 6% O₂, można na podstawie wyników z tabeli 3 określić niezbędny nadmiar mocznika w stosunku do NO, gwarantujący nie przekraczanie stężenia 200 mg NO₂/m³_n i 6% O₂. Bezpieczny nadmiar to 1,6 - 1,8 kg mocznika na 1 kg NO w spalinach, przy iniekcji do spalin roztworu zawierającego 80% mocznika.

3.1. Analiza kosztów

Koszty inwestycyjne instalacji dla 3 kotłów WR - 25 to około 500 000 zł.

Koszty eksploatacyjne zależą od czasu pracy kotłów i obowiązujących norm. W analizie uwzględniono normę 200 mg NO₂/m³_n i 6% O₂.

Przy pracy 3 kotłów WR - 25 przy obciążeniu 95% przez 5000 h/rok i średniej emisji NO = 16 kg/h czyli 48kg NO/h z 3 kotłów.

Całkowita emisja NO = 48 kg NO/h x 5000 h = 240 000 kg NO/rok

Zakładając zużycie mocznika = 1,7 kg/kg NO to roczne zużycie mocznika = 408 ton.

Koszt mocznika to 330 - 400 $ = czyli po aktualnym kursie 3,03 zł za 1 $

= 408 x 3,03 x 330 = 407 959 zł/rok

= 408 x 3,03 x 400 = 494 496 zł/rok

Pozostałe koszty (energia, obsługa, konserwacja) to maksimum 30% kosztów sorbentu.

Koszty roczne ograniczania emisji NO_x do poziomu stężeń < 200 mg NO₂/m³_n i 6% O₂, dla 3 kotłów WR - 25, pracujących przez 5000 h (15 000 h) to kwota rzędu ~ 520 - 650 tys. zł/rok w zależności od kosztów mocznika.

4. Podsumowanie

Przeprowadzone badania pozwoliły na opracowania technologii iniekcji roztworu wodnego mocznika do strefy spalania węgla w kotle rusztowym WR - 25. Spełnienie norm emisji NO_x (200 mg NO₂/m³_n i 6% O₂) może być zapewnione przy iniekcji do kotła WR - 25, około 17 kg/h mocznika w roztworze wodnym o stężeniu 80% mocznika (~ 21 - 22 dm³/h).

Przy zastosowaniu tej technologii do innych kotłów rusztowych można przyjąć że zużycie mocznika będzie proporcjonalne do zużycia paliwa, czyli około 3 kg mocznika/Mg węgla. Maksymalny koszt mocznika to 3,7 złotego na tonę węgla.

Literatura

[1] Lyon R.K, US 3 900 554 (1975 r.)

[2] Arand J. K et all, US 4 208 336 (1980 r.)

[3] Arand J. K et all, US 4 325 924 (1982 r.)

[4] Brogan T. R, US 4 335 084 (1982 r.)

[5] Tang J. T et all. "Reduction of NO_x in flue gas", US 4 756 890 (1988 r.)

[6] Knol K. E et all. "Reduction of NO by injection urea in fluidized bet combustor" Fuel, 1989,Vol 68, December, p. 1565-1569

[7] Cho S. M et all "Using flue gas energy to vaporize aqueous reducing agent for reducing of NO sub. x in flue gas" US 5 296 206 A 1994 r.

[8] Payne R. et all "Method to reduce flue gas NO_x" US 7 374 736 B2 2008r.

[9] Phelps C. E et all. "Conversion of urea to reactants for NO_x reduction", US 8 017 100 B2, 2011r.

[10] Ishak M. S. A. et all "The reduction of Noxious Emissions Using Urea Based NSCR in Small Seale Bio Fuel Combustion System" Modern Applied Science Vol. 5, No. 2; April 2011 r.

[11] Ellery R. "Biomass boiler SCR, NO_x and CO reduction system
US 20120255470 A1 (2012r.).

http://yadda.icm.edu.pl/baztech/element/bwmeta1.element.baztech-56e8712c-c126-4cb5-8c6b-7384223dae33