Úskalí a možnosti zvyšování účinnosti u energetického využívání odpadů

Transkript

1 8 Úskalí a možnosti zvyšování účinnosti u energetického využívání odpadů Autor v článku se v úvodu zaměřuje na popis výchozí situace v oblasti energetického využívání odpadů (EVO), dále pokračuje s charakteristikou spalovacího procesu, přibližuje možnosti zvyšování účinnosti technologického řetězce. Blíže se přitom zaměřuje na parametry přehřáté páry, teploty spalin na výstupu z kotle, snižování teploty a množství spalin a přihřívání páry. Na závěr uvádí další možnosti zvyšování účinnosti. Výchozí situace Česká republika nesplňuje požadavky EU na skládkování odpadu. Produkce samotných komunálních odpadů však má vzrůstající trend, což souvisí s růstem životní úrovně. Stoupá také podíl komunálních odpadů ukládaných na skládky. Většina evropských států směsný zbytkový odpad z domácností a ze živností tedy spalitelný odpad, který se nedá dále jinak využít, spaluje v zařízeních na energetické využívání komunálního odpadu s vysokým stupněm technické inovace a využívá jej jako zdroj energie, tedy elektřiny a tepla. Například ve Švýcarsku, kde se již od roku 2000 nesmí skládkovat vůbec, je v nepřetržitém provozu 30 spaloven. Podobná situace je v Dánsku, Holandsku, Belgii, Německu, Rakousku a Švédsku. Také v ostatních evropských státech energetické využívání odpadů stále více nahrazuje skládkování. Ve Velké Británii je ve výstavbě několik spaloven odpadu. V České republice bylo za posledních třináct let uvedeno do provozu pouze jedno nové zařízení na energetické využívání odpadů a jedno bylo kompletně rekonstruováno (Termizo v Liberci v roce 1999, SAKO Brno v roce 2011). Vzniklo však několik projektových záměrů. Nesetkaly se však s podporou Ministerstva životního prostředí a nevládních organizací ani s pochopením občanských iniciativ a sdružení, které nebyly dostatečně informovány o výhodách energetického využívání odpadu a o jeho skutečných dopadech na životní prostředí. Nicméně se situace v ČR v posledních dvou letech výrazně změnila a je cítit (zatím verbální) podpora energetického využívání odpadů. Proces spalování odpadu v technických zařízeních má zhruba 150 letou tradici. Byly vyvinuty vyspělé technologie jak vlastního spalování, tak využití energie, tak čištění spalin a zpracování zbytkových látek. Až do poměrně nedávné doby byla jedním z hlavních kritérií spolehlivost technologického řetězce. Nicméně se do popředí zájmu dostává efektivita přeměny chemické energie paliva a její další využití, tedy zvyšování energetické účinnosti či tzv. energetické efektivity. Zatímco je ve Švýcarsku kladen větší a větší důraz na udržitelné hospodaření se zdroji a z tohoto důvodu také na využívání zbytkových látek z procesu energetického využívání odpadů, je např. v SRN kladen větší důraz na energetickou účinnost. Výsledkem jsou pak zařízení s jednoduchým čištěním spalin generující nezpracovatelné zbytkové látky. Spalovací proces Odpad představuje velmi komplikované palivo s neustále se měnícími vlastnostmi vykazuje Obecné schéma možností zpracování zbytkových látek Technologický řetězec s fyzikálně-chemickou absorpcí a se zpracováním zbytkových látek

2 9 nerovnoměrné hodnoty výhřevností. Při vysokých a vyšších výhřevnostech hoří odpad v přední části roštu, zatímco u nízkých výhřevností přesídlí hlavní spalovací zóna do zadní části ohniště, což má za následek nepravidelný teplotní profil i nepravidelný parní výkon. Proces spalování musí být přesto řízen tak, aby mohla být vyrobená energie dodávána do rozvodných soustav pravidelně, tedy bez výrazného kolísání výkonu. Systém řízení výkonu spalovacího procesu musí umožnit produkci páry tak, že přes 90 % všech měřených hodnot parního výkonu bude v intervalu ± 5%. Zvolený výkon parního kotle a nastavená hodnota zbytkové koncentrace O 2 ve spalinách na výstupu z kotle jsou vhodnými řídícími signály rozdělení primárního a sekundárního spalovacího vzduchu, pro pohyb hydraulického podávacího stolce a pro rychlost pohybu segmentů spalovacího roštu. Spalovací proces přestane být optimálně řízen, dojde-li ke změně vstupních podmínek - zpravidla k trvalé změně složení a tím i ke změně výhřevnosti odpadu. Dochází k vysokým teplotám, k vysokým rychlostem proudění spalin, k zanášení teplosměnných ploch kotle, k masivním erozivním i ke korozivním úkazům. Hospodárnost a ekologie jsou ohroženy. Návrh asanačních opatření vyžaduje systematická měření klíčových hodnot, jejich exaktní vyhodnocení jakož i použití déletrvajících zkušeností. Ohledně řízení výkonu ohniště existují různé (někdy i krkolomné) systémy výrobců zařízení EVO. Nicméně základem účinného řízení je splnění jednoduché základní podmínky - Součet množství primárního a sekundárního vzduchu musí být pro daný parní výkon konstantní. Při dodržení této podmínky je pak parní výkon nepřímo úměrný obsahu O 2 ve spalinách na výstupu z kotle. Dále Obsluha jeřábu musí odpad bezpodmínečně homogenizovat a musí mít informace o tom, který parní výkon alespoň zhruba odpovídá hodinovému prosazení odpadu (např.: 36 tun páry/h odpovídá cca 12 tun odpadu/h). Regulace výkonu u energetických zařízení na palivo o konstantním složení je nepoměrné snadnější - viz příklad práškového ohniště. Pro automatické řízení spalovacího procesu je rovněž možné použít teplotu v prostoru ohniště, resp. ve druhém tahu kotle (eliminace vlivu záření plamene). Parní výkon je přímo úměrný teplotě v prostoru ohniště a tím i teplotě ve druhém tahu kotle. Ve vazbě na zbytkový obsah kyslíku ve spalinách na výstupu z kotle je automaticky regulován poměr primárního a sekundárního vzduchu. Tímto Příklad automatického řízení spalovacího procesu Příklad neseřízené regulace výkonu spalovacího Zadaná a skutečná hodnota množství páry

3 10 způsobem lze docílit velmi rychlou regulaci spalovacího procesu. Poměrně často je při navrhování zařízení podceněno dimenzování sekundárního ventilátoru, který má pro řízení parního výkonu svoji nezastupitelnou funkci, zvláště při vyšší výhřevnosti odpadu s vysokým podílem těkavé hořlaviny. Poznámka: Je známé, že některá paliva mají malý podíl těkavé hořlaviny a není tak třeba pro jejich spalování používat sekundární vzduch. Vlastní konstrukce roštu (na trhu se nachází několik systémů), spolu s korektním rozdělením primárního vzduchu pod jednotlivé zóny roštu má přímý vliv na kvalitu spalování, resp. na chemický nedopal ve škváře. Optimalizovaný spalovací proces vykazuje zejména: Nedopal < 1 %. Rovnoměrný parní výkon přes 90 % všech měřených hodnot parního výkonu je v intervalu ± 5 % Koncentrace O2 ve spalinách 6 až 7 % (v závislosti na podmínkách u starších konstrukcí 10 %) ověření síťovým měřením. Koncentrace CO hluboko pod 50 mg/nm 3 ověření síťovým měřením. Průběh dávkování primárního a sekundárního vzduchu Možnosti zvyšování účinnosti technologického řetězce Bez optimálně fungujícího řízení spalovacího procesu je snaha o zvyšování účinnosti v podstatě zbytečná. Parametry přehřáté páry Poměrně často je, v souvislosti s legitimizací energetického využívání odpadů v ČR, možné sledovat diskusi či návrhy ohledně zvyšování parametrů páry o spalovenských kotlů. Jak to tedy je? Parní kotle pro technologický řetězec energetického využívání odpadů se navrhují zpravidla na parametry páry těsně kolem 400 C, 4,0 MPa. V praxi je trvale a mnohonásobně prokázáno, že lze takto navržený parní spalovenský kotel spolehlivě provozovat. Nicméně je případně možné - velmi opatrně - uvažovat o určitém zvýšení parametrů vyráběné páry. Každopádně je zvýšení parametrů páry u energetického využívání odpadů vždy spojeno s rizikem havárie tlakové části kotle zejména přehříváku páry. Parametry páry nad 400 C 4,0 MPa mohou přispět určitým způsobem k větší výrobě elektrické energie, což má určitý pozitivní vliv při kondenzačním provozu, tedy vyšší parametry páry přispějí ke zvýšení účinnosti technologického řetězce, nicméně na účinnost vlastního parního kotle nemají žádný vliv. Náklady spojené se zvýšením parametrů páry u zařízení na energetické využívání odpadu nejsou adekvátní k výnosům a provozním rizikům. Z hlediska výroby tepelné energie je vliv zvýšených parametrů páry nulový. Velká většina zařízení na energetické využívání odpadů je konfigurována jako teplárna a v takových případech je zvyšování parametrů páry bez většího vlivu na celkovou účinnost. Zvláště u zařízení na energetické využívání průmyslových (nebezpečných) odpadů je nutné xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx Rovnoměrný parní výkon: 94,3 % všech měřených hodnot parního výkonu je v intervalu ± 5 %

4 11 samotná látka bod měknutí ( C) směsi látek (údaje v %) bod měknutí ( C) NaCl NaCl - 75 FeCl KCl ZnCl 2-45KCl 230 MgCl KCI - 40 FeCI CaCl NaCl - 42 FeCl FeCl PbCl 2-10MgCl FeCl NaCl-51 CaCl Body měknutí některých látek a látkových směsí komunální odpady průmyslové odpady teplota spalin po výstupu z ohniště C 900 C C vlhkost spalin (H 2 O) obj. % CO 2 % 5 5 O 2 obj.% 6 až 10 6 až 12 úletový popílek g/nm HCl mg/nm HF mg/nm SO 2 mg/nm NO mg/nm CO mg/nm Pb mg/nm Zn mg/nm Cd mg/nm Hg mg/nm PCDD/F ngte/nm Orientační složení spalin z energetického využívání komunálních a průmyslových odpadů po výstupu z ohniště Graf 1 Koroze u spalovenských kotlů Z důvodů omezení vysokoteplotní chlorové koroze nemá být teplota spalin před posledním výstupním přehřívákem větší než 650 C, a to i na konci provozní periody, tedy při vysokém stupni znečištění výhřevných ploch. Dodržení této podmínky má za následek nižší teplotu spalin před přehřívákem na začátku provozní periody (kolem 550 C, při částečném výkonu kolem 500 C). Je tedy zřejmé, že se teplota přehřáté páry nedá u spalovenských kotlů volit příliš přes 400 C. Zkušení výrobci spalovenských kotlů řadí před poslední přehřívák menší plochu konvekčního výparníku, která významně pomáhá k dodržení podmínky 650 C před posledním výstupním přehřívákem. Ze zkušenosti je známo, že spalovenské kotle s parametry páry kolem 350 C, 3,0 MPa jsou bez věnovat kotli náležitou pozornost. V těchto zařízeních jsou zpracovávány pevné, pastovité a tekuté průmyslové odpady proměnlivého složení, obsahující množství nejrůznějších látek. Při termické oxidaci spalování odpadu vzniká úletový popílek, který spolu se spalinami prochází kotlem. Úletový popílek vykazuje vlivem obsahu alkálií (sodík, draslík) relativně nízký bod měknutí. K překročení bodu měknutí úletového popílku dochází při teplotách přes 700 C. Kolem 900 C má těstovitý charakter a při teplotách přes 1100 C přechází do tekutého stavu. Při provozu kotle dochází k nárazům úletového popílku na povrch jeho teplosměnných ploch. V závislosti na fyzikálním stavu popílku dochází jak k erozi teplosměnných ploch, tak i k tvorbě usazenin či nápeků (nálepů) na jejich povrchu. Tento úkaz významně zhoršuje přestup tepla ze strany spalin a zkracuje provozní dobu kotle. Problematické úletové popílky obsahující sloučeniny alkálií a korozívní složky spalin s obsahem síry a chloru jsou nejčastějšími příčinami havárií teplosměnných ploch kotlů pro energetické využívání odpadu. Příklad orientačního složení spalin z energetického využívání komunálních a průmyslových odpadů po výstupu z ohniště ukazuje dále uvedená tabulka. Z rozdílů koncentrací uvedených látek lze přibližně odvodit stupeň odlišnosti při navrhování kotlů (a systémů čištění spalin) pro energetické využívání komunálních a průmyslových odpadů. Graf 1. názorně vystihuje podmínky minimalizování rizika koroze u teplosměnných ploch spalovenských kotlů Příklad regulace výkonu spalovacího procesu u spalovenského kotle a kotle s práškovým ohništěm

5 12 Umístění ochranného výparníku Orientace síťových měření havárií výhřevných ploch desítky let v provozu. Z druhé strany je názorné uvést příklad bernského zařízení na energetické využívání odpadu, kde byl instalován kotel s parametry páry 475 C, 6,2 MPa. Jednalo se o kotel s vertikálním uspořádáním tahů, přičemž poslední přehřívák byl na vstupu do 3. tahu kotle. Havárie přehříváku na sebe nenechala dlouho čekat a z důvodů opakovaných přerušení provozu musely být oba kotle asanovány. Hlavní asanační opatření: Instalace nového přesuvného roštu. Instalace stranových desek terciární vzduch. Optimalizování výdusky stěn ohniště. Instalace mříže výparníku mezi 1. a 2. tahem kotle. Zlepšení profilu spalin na vstupu do 3. tahu kotle. Instalace ochranného výparníku před poslední přehřívák. Takto asanované kotle jsou od poloviny osmdesátých let minulého století (s menšími úpravami vstupu spalovacího vzduchu) dosud v provozu. Poznámka: V současné době se v Bernu dokončuje výstavba nového zařízení a stávající zařízení ustoupí (spolu s teplárnou) další výstavbě města. Účinek asanačních opatření Teplota v prvním tahu kotle pod C O 2 pravidelně 8 až 10 % CO cca 0,001% Výsledky síťových měření (T, O2, CO) Ověřovací síťová měření byla provedena na úrovni cca 4 metry nad posledním přívodem vzduchu. Pro měřící místa A, B, C byly využity instalované otvory ve stěně kotle a osy 1, 2, 3, 4,5 byly orientovány zprava doleva v půdorysu 1. tahu kotle ve směru toku paliva, tedy osa 3 byla uprostřed půdorysu 1. tahu kotle. Konstantní hodnota teploty spalin na výstupu kotle Použití tzv. regulačního ekonomizéru, který po celou nepřetržitou dobu provozu může umožnit konstantní teplotu spalin na konci kotle, čímž je možné minimalizovat komínovou ztrátu. V takovém případě se volí poměrně nízká teplota napájecí vody a přes tepelný výměník v bubnu kotle je část napájecí vody ohřáta (prakticky na teplotu syté páry při daném tlaku). Takto upravená napájecí voda je míchána (směšovací ventil) s neohřátou Výsledky síťových měření v ose 3 (0,1 % obj. CO = mg/nm 3 ) napájecí vodou. Teplota této směsi se volí tak, aby byla dosažena stejná a rovnoměrná teplota spalin na výstupu z kotle. V okamžiku, kdy není možné teplotu vystupujících spalin na určité úrovni udržet, musí být kotel odstaven a vyčištěn. Snižování teploty spalin V úvahu může přijít zvětšení teplosměnné plochy ekonomizéru. Nicméně se ukazuje, že pro snížení teploty spalin o 30 C je zapotřebí až více než 2 větší teplosměnná plocha ekonomizéru. Takový

6 13 Regulační ekonomizér záměr naráží na konstrukční a cenové problémy. Z křivky plochy ekonomizéru je patrný vliv středního logaritmického spádu. Snižování množství spalin. Snížení množství spalin lze dosáhnou v podstatě jen dvěma způsoby: Snížením obsahu kyslíku ve spalinách a omezení či eliminování netěsností (vyloučení tzv. falešného vzduchu). Obsah kyslíku ve spalinách není možné libovolně snižovat, z důvodů následné vysoké adiabatické teploty spalin, která je u spalovenských kotlů, z uvedených důvodů limitována. Z druhé strany je užitečné eliminovat či omezit vstupy vzduchu do technologického řetězce. Přihřívání páry V klasické energetice běžně používání přihřívání páry pomocí spalinových mezipřehříváků naráží u spalovenských kotlů na limity v souvislosti se zmíněnou problematikou korozivních úkazů. U energetického využívání odpadů lze umístit mezipřehřívák mimo kotel a páru z vysokotlakého stupně lze přihřívat ve spojení s bubnem kotle. V takovém případě je třeba volit řádově vyšší tlak páry se všemi důsledky (konstrukce, výkon napájecího čerpadla). Vliv teploty spalin na účinnost kotle při konstantní teplotě napájecí vody a proměnné ploše ekonomizéru (Zdroj: Alessio, Muck: Möglichkeiten und Grenzen der Effizienzsteigerung in Abfallverbrennungsanlagen) Vliv obsahu kyslíku ve spalinách na výstupu z kotle na adiabatickou spalovací teplotu (Zdroj: Alessio, Muck: Möglichkeiten und Grenzen der Effizienzsteigerung in Abfallverbrennungsanlagen) Přihřívání páry v T-s diagramu. Poznámka: Spalinový mezipřehřívák byl v souvislosti s energetickým využíváním odpadu instalován v zařízení ve španělském Bilbau, ale byl instalován do kotle paroplynového cyklu Další možnosti zvyšování účinnosti Obecně platí, že existuje řada dalších možností zvyšování účinnosti zařízení: Vlastní spotřeba energie, nedopal (škvára, popílek), radiační ztráty, Princip řazení vnějšího mezipřehříváku. Přihřátím páry lze očekávat zlepšení účinnosti cca 2 až 4 % teplota spalovacího vzduchu (primární, sekundární), odluh, čištění spalin, údržba. Významně, v řádu procent, lze zvýšit účinnost zařízení prodloužením fondu provozní doby, tzv. disponibility zařízení. Zdroje: Alessio, Muck: Möglichkeiten und Grenzen der Effizienzsteigerung in Abfallverbrennubgsanlagen, 10 Münsteraner Abfallwirtschafttage, Münster, D, 2007 Hyžík J.: Projektování zařízení na energetické využívání odpadu z hlediska energetické účinnosti, Kotle a energetická zařízení, Asociace výzkumných organizací, ISSN , Brno, 2009

7 14 Zařízení Bilbao - spalinový mezipřehřívák umístěný v kotli paroplynového cyklu (Zdroj: CNIM). Vnější mezipřehřívák byl instalován v zařízení AVA Amsterdam Hyžík J.: Kotle pro energetické využívání odpadu seminář, Kotle a energetická zařízení, Asociace výzkumných organizací, ISSN , Brno, 2005 Provozní údaje zařízení na energetické využívání odpadu. Firemní podklady (EWB, E.I.C. spol. s. r. o. a EIC AG) O autorovi: Jaroslav Hyžík (1944) Strojní inženýr (1967), habilitace v oblasti technické ochrany životního prostředí (1992), jmenování profesorem (2004). Od roku 1979 vlastní a vede projekční a poradenskou kancelář se zaměřením na ochranu životního prostředí (EIC, a.s.) ve švýcarském Badenu. Od roku 1992 působí v Praze kancelář se stejným zaměřením (EIC spol. s r.o.). Společnost EIC disponuje řadou referenčních projektů energetického využití odpadu ve Švýcarsku a v zemích EU. Společnost EIC byla rovněž zodpovědná za zprovoznění spalovny v Praze Malešicích, je autorem projektu libereckého zařízení Termizo na energetické využívání odpadů a působila při jeho realizaci jako technický dozor investora. V současné době se zúčastňuje přípravy projektů na energetické využívání odpadů v Karviné a v Komořanech. Jaroslav Hyžík, Technická univerzita v Liberci, EIC AG - Ecological and Industrial Consulting EIC spol. s r.o. - Ecological and Industrial Consulting, Technická univerzita v Liberci Zdroje obrázků: Interní podklady E.I.C., spol. s r.o. Úskalí a možnosti zvyšování účinnosti u energetického využívání odpadů Autor v článku se v úvodu zaměřuje na popis výchozí situace v oblasti energetického využívání odpadů (EVO), dále pokračuje s charakteristikou spalovacího procesu, přibližuje možnosti zvyšování účinnosti technologického řetězce. Blíže se přitom zaměřuje na parametry přehřáté páry, teploty spalin na výstupu z kotle, snižování teploty a množství spalin a přihřívání páry. Na závěr uvádí další možnosti zvyšování účinnosti. По Рускы... ххххххххх хххх х хххххххххх ххххххх ххх х ххххххххххххххххххххххххх х х ххххххххх хххххххх ххх х ххххххххххххх хххххххх ххххххххх хххххх хх ххххххххх ххххххххх хххх х хххххххххх ххххххх ххх х ххххххххххххххххххххххххх х х ххххххххх хххххххх ххх х ххххххххххххх хххххххх ххххххххх хххххх хх ххххххххх ххххххххх хххх х хххххххххх ххххххх ххх х ххххххххххххххххххххххххх х х хххххххххххххх хххххххх ххххххххх хххххх хх ххххххххх ххххххххх хххх х хххххххххх ххххххх ххх х ххххххххххххххххххххххххх х х ххххххххх хххххххх ххх х ххххххххххххх хххххххх ххххххххх хххххх хх ххххххххх