VYBRANÉ MOŽNOSTI SNIŽOVÁNÍ EMISÍ SO 2 U STÁVAJÍCÍCH UHELNÝCH ZDROJŮ

Transkript

1 VYBRANÉ MOŽNOSTI SNIŽOVÁNÍ EMISÍ SO 2 U STÁVAJÍCÍCH UHELNÝCH ZDROJŮ Pavel Slezák, Oldřich Mánek, Petr Julínek Příspěvek shrnuje vybrané možnosti snižování emisí oxidu siřičitého SO 2 u stávajících zdrojů spalujících černá a hnědá uhlí s ohledem na zpřísnění emisních limitů a emisních stropů k Hlavní aktivity společnosti TENZA v tomto směru jsou zaměřeny na hnědouhelné zdroje s již provozovanými polosuchými odsiřovacími zařízeními a zdroje spalující černá uhlí doposud bez odsiřovacích zařízení. Příspěvek se zabývá nejen možností spoluspalování biomasy nebo instalací jednoduchého zařízení na bázi suché sorpce, ale i technologií tzv. souběžného odsiřování spalin, jejíž vývoj společnost TENZA řeší v rámci programu Impuls MPO ČR. Klíčová slova: oxid siřičitý, souběžné odsiřování, suchá sorpce, spoluspalování biomasy, vápenný hydrát, SORBACAL SP ÚVOD Společnost TENZA, a.s. je jednou z nejvýznamnějších českých firem zajišťujících dodávky moderních technologií v oblasti energetiky. Realizuje vodohospodářské, inženýrské a pozemní stavby. Zaměřuje se také na provádění ekologických staveb, konzultační a výzkumnou činnost v oblasti čištění spalin i na provoz energetických zařízení. Jednou z prvních aktivit společnosti v oblasti odsiřování spalin byla spolupráce s Plzeňskou energetikou a.s. v oblasti komplexního hodnocení stávajícího odsiřovacího zařízení teplárny ELÚ-III s ohledem na zpřísnění emisních limitů k Společnost záhy navázala spolupráci s výrobcem vápenných sorbentů Vápenka Čertovy schody, a.s. (člen skupiny LHOIST) a začala s podporou programu Impuls MPO ČR vyvíjet technologii tzv. souběžného odsiřování spalin včetně provozních zkoušek na vybraných zdrojích v ČR. V roce 2007 provedla též řadu provozních zkoušek suché technologie odsíření na zdrojích spalujících černé uhlí. Zvýšený zájem o odsiřovací technologie je způsoben zejména zpřísněním emisních limitů pro stávající zdroje od Přestože většina velkých hnědouhelných zdrojů již odsiřovací zařízení v minulosti vybudovala, nové hodnoty povolených emisí SO 2 (především pak nutnost plnit stanovené stropy v t SO2 /rok) u některých zdrojů mohou způsobit problémy, jako mj. tyto: nemožnost stávajících odsiřovacích zařízení dosáhnout požadovaných výstupních koncentrací SO 2 (z důvodu již špatného technického stavu, odlišných návrhových parametrů), obtíže stávajících odsiřovacích zařízení zajistit dlouhodobý spolehlivý provoz při změněných podmínkách (např. nutnost odsiřovat s účinnostmi cca 80 až 90 % u polosuchých technologií odsíření stáří blížícího se projektované životnosti) nehospodárné spotřeby vápenných sorbentů (ze stejného důvodu jako v předchozím bodě), problémy s odbytem produktu odsíření (z důvodu výrazné změny vlastností a produkovaného množství produktu) U zdrojů na černé uhlí (menších zdrojů) většinou dosud žádná odsiřovací zařízení budována nebyla, neboť spalované uhlí umožňovalo plnit platné emisní limity i emisní stropy. Paradoxně bezproblémové plnění stropů v minulých letech má za následek problémy s jejich plněním do budoucna, kdy obsah síry v černém uhlí těženém v ČR (severní Morava) v posledních letech výrazně vzrostl, přičemž v budoucnu nelze počítat s tím, že by došlo k opětovnému poklesu. Vysoká kvalita uhlí v minulých letech - a z těchto let vypočtené nové stropy - tedy kladou na stávající teplárny nároky, které nejsou schopny bez dodatečných opatření zajistit. V současné době jsou tyto zdroje v jednání s orgány státní zprávy a dle jejich zadání zhotovují studie a provádějí zkoušky, které mají za cíl posoudit jednotlivé varianty řešení emisí SO 2 a umožnit tak státní správě rozhodnout ohleduplně nejen k životnímu prostředí ale i k dlouhodobě ekologicky se chovajícím zdrojům. Společnost TENZA se na těchto studiích a provozních zkouškách významnou měrou podílí. V následujícím textu budou zmíněny pouze vybrané možnosti snižování emisí SO 2. Nebylo by korektní nezmínit tu nejjednodušší cestu tj. nákup nízkosirnatého uhlí - která je stěžejní zejména u zdrojů na černé uhlí. Ing. Pavel Slezák, Ph.D., TENZA, a.s, Svatopetrská 7, Brno, pslezak@tenza.cz / 179 /

2 U hnědouhelných zdrojů, i při možnosti, že společnost provozující zdroj je schopna si smluvně zajistit přísun nízkosirnatého uhlí, je nutné důsledné ekonomické posouzení výhodnosti oproti např. zvýšené spotřebě sorbentů pro stávající odsíření či instalaci metody souběžného odsiřování. Situace u některých zdrojů je ovšem taková, že z důvodů uzavřených dlouhodobých smluv již není možné kvalitnější palivo zajistit, nehledě na opodstatněné problémy a úskalí spojené se záměnou paliv. SNIŽOVÁNÍ EMISÍ SO 2 U HNĚDOUHELNÝCH ZDROJŮ S POLOSUCHÝM ODSÍŘENÍM - TZV. SOUBĚŽNÉ ODSIŘOVÁNÍ Principem tzv. souběžného odsiřování je dávkování suchého sorbentu před samotnou stávající polosuchou technologii odsíření viz Obr.1 a, b a) b) Obr. 1 Schema souběžného odsiřování spalin a) zařazení v rámci stávající polosuché odsiřovací technologie b) detail absorbéru Jako suchý sorbent byl nejčastěji používán speciální vápenný hydrát SORBACAL SP (Výrobce LHOIST). Je to hydrát s extrémně velkým měrným povrchem (až 50 m 2 /g) a cílenou velikostí pórů právě z hlediska odsiřovacího procesu. Je v současné době hojně využíván v celé západní Evropě jak v energetických zdrojích, tak ve spalovnách odpadu. Pro účely srovnání dosahovaných účinností a spotřeb byly použity i další vápenné hydráty, např. z produkce Vápenky Čertovy schody, a.s. (SORBACAL H, SORBACAL SPS), i od výrobce CARMEUSE Czech Republic s.r.o. (vápenné hydráty CL90, S90, ISS). Testy technologie souběžného odsiřování nebo jejích technologických částí probíhaly v letech 2004 až 2007: ELEKTRÁRNA LEDVICE (souběžné odsiřování suchým sorbentem) TEPLÁRNA OTROKOVICE 1 (souběžné odsiřování suchým sorbentem) TEPLÁRNA OTROKOVICE 2 (souběžné odsiřování suchým sorbentem) / 180 /

3 PLZEŇSKÁ ENERGETIKA 1 (souběžné odsiřování suchým sorbentem a recyklem 1 ) TEPLÁRNA ÚSTÍ NAD LABEM (souběžné odsiřování suchým sorbentem) PLZEŇSKÁ ENERGETIKA 2 (souběžné odsiřování + alternativní sorbent 2 ) TEPLÁRNA OTROKOVICE 3 (dlouhodobá simulace souběžného odsiřování) ZÁVOD 4 - ENERGETIKA MITTAL STEEL OSTRAVA (zkouška suché fáze souběžného odsiřování reakce na tkaninovém a v elektrostatickém filtru) Zkoušky prokázaly, že technologie tzv. souběžného odsiřování umožňuje: provoz stávajících odsiřovacích zařízení při vyšších účinnostech za stejných nebo menších spotřeb vápníku v absorpčních surovinách (odsiřovací suspenze + suchý sorbent), provoz stávajících odsiřovacích zařízení při účinnostech vyšších než umožňuje konstrukce stávajících polosuchých odsiřovacích zařízení (polosuchá metoda odsíření je limitována schopností spalin odpařit jen určité (omezené) množství vody v odsiřovací suspenzi s omezeným obsahem sušiny, ale suchý sorbent umožňuje dodávat větší množství vápníku a tedy umožňuje odloučení většího množství SO 2 při zachování provozní spolehlivosti odsiřovacího zařízení) SNIŽOVÁNÍ EMISÍ SO 2 U ZDROJŮ SPALUJÍCÍCH ČERNÉ UHLÍ JEDNODUCHÁ SUCHÁ SORPCE U zdrojů spalujících černé uhlí je situace složitější vzhledem k absenci odsiřovacího zařízení, neboť většina těchto zdrojů plnila emisní limity a emisní stropy spalováním kvalitního černého uhlí s nízkým obsahem síry. V posledních letech ovšem obsah síry v těchto palivech stoupá a spolu s novými emisními stropy (které vycházejí z předchozích let a pro budoucí roky emisní limity snižují) čelí tyto zdroje problému jak omezit emise SO 2 při zachování stávajícího nebo vyššího objemu výroby tepla a elektrické energie. V případech, kdy není možné zajistit uhlí s nižším obsahem síry, nebo zajistit spoluspalování jiného nízkosirnatého paliva (např. biomasy viz níže), je vhodným nástrojem instalace jednoduchého odsiřovacího zařízení na bázi suché sorpce. Pod suchou technologií vápenatého odsiřování se zpravidla rozumí takové odsiřování, kdy je do paliva, spalovacího zařízení nebo do spalin dávkován suchý vápenatý sorbent. Produkt odsíření se zbytkem nezreagovaného sorbentu je potom ze spalin odlučován v odlučovači. Pro zvýšení doby vzájemného působení může být do trasy spalin včleněn zádržný objem, ať už v podobě zvětšeného kouřovodu, malého absorbéru či zvětšené vstupní komory případně celého objemu odlučovače. Samo odsiřovací zařízení je extrémně levné, většinou je tvořeno dávkovacím zařízením, pneumatickou dopravou a rozprašovacími tryskami sorbentu. Větší investiční náklady jsou většinou vázány na nezbytná doprovodná zařízení, jako jsou například příjmové silo sorbentu, silo produktu odsíření, pneudopravy, případné míchací centrum, stavební úpravy a v neposlední řadě i řídicí systém s měřením emisí. Vlastní odsiřovací proces se odehrává mezi suchým sorbentem a plynným SO 2 ve spalinách. Účinnost procesu je samozřejmě ovlivněna řadou dalších faktorů, zejména teplotou a vlhkostí spalin, čistotou a fyzikální strukturou sorbentu, dobou zádrže sorbentu ve spalinách, přítomností dalších látek a mnoha dalšími faktory. 1 Recyklem se rozumí znovu rozprašovaný již suchý produkt polosuchého odsíření (navíc v možné kombinaci s čistým suchým sorbentem) ve snaze využít co nejvíce dosud nezreagovaného vápníku. 2 Zkouška s použitím mj. modifikovaného vápenného hydrátu SORBACAL SPS (výrobce LHOIST). / 181 /

4 Suchý sorbent, na bázi vápenného hydrátu, lze dávkovat přímo do spalovacího zařízení, kde se teplota spalin pohybuje okolo 1000 C. Proces je nazýván horkou suchou sorpcí a jeho hrubé technologické schéma je následující: JEDNOSTUPŇOVÁ HORKÁ SORPCE sorbentu s dávkovacím zařízením Kotel Tkaninový filtr (elektrostatický odlučovač) produktu odsíření Obr. 2 Jednostupňová horká sorpce Vzhledem k tomu, že závislost účinnosti procesu na teplotě spalin u suchých sorbentů, na bázi vápenného hydrátu, má dvě maxima, lze použít i tak zvanou studenou sorpci, kdy je sorbent dávkován za spalovací zařízení, kde se teploty spalin pohybují pod 200 C, resp. okolo 400 C. Proces je nazýván studenou suchou sorpcí a jeho hrubé technologické schéma je následující: JEDNOSTUPŇOVÁ STUDENÁ SORPCE sorbentu s dávkovacím zařízením Kotel Tkaninový filtr (elektrostatický odlučovač) produktu odsíření Obr. 3 Jednostupňová studená sorpce Pokud jsou parametry spalin za účelem zefektivnění odsiřovacího procesu ovlivňovány (chlazeny či zvlhčovány) hovoří se o kondicionovaném suchém odsiřování. STUDENÁ SORPCE S KONDICIONOVÁNÍM sorbentu s dávkovacím zařízením Kotel Procesní voda Tkaninový filtr (elektrostatický odlučovač) produktu odsíření Obr. 4 Studená sorpce s kondiciováním / 182 /

5 Horkou a studenou suchou sorpci lze případně i kombinovat. Prakticky je tato kombinace v zahraničí často využívána zejména u spaloven odpadu. DVOUSTUPŇOVÁ SUCHÁ SORPCE y sorbentu s dávkovacím zařízením Kotel Tkaninový filtr (elektrostatický odlučovač) produktu Obr. 5 Dvoustupňová suchá sorpce Tato metoda je ve srovnání s jednoduchou horkou nebo studenou sorpcí investičně nepodstatně dražší, její spotřeba sorbentů je zato o málo nižší. Teprve podrobná technicko-ekonomická analýza spalovaných uhlí a spotřeb sorbentů by pomohla vybrat mezi jedno- a dvoustupňovou metodou. Rozšířit jednostupňovou variantu na dvoustupňovou lze i po dostavbě jednostupňové varianty. Jako suché odsiřovací metody jsou často deklarovány i metody, kdy se odsiřovací proces odehrává na vysychajících částicích sorbentu řízeně zvlhčovaném prášku. Z hlediska fyzikálně - chemického procesu se tedy jedná o polosuchou metodu. Z technologického hlediska je možno tyto metody označit za suché, protože v celém technologickém souboru není připravována vápenná suspenze a nejsou použity rozmíchávací nádrže, čerpadla a jiná zařízení typická pro polosuchou metodu. Příkladem takové technologie může být švédský systém NID nebo FDA (Alstom), fluidní reaktor WULFF aj. Tyto metody jsou nicméně investičně mnohem náročnější než v předchozím textu uvedené varianty jednoduché suché sorpce. Společnost TENZA se podílela na řadě provozních zkoušek jednostupňové horké sorpce, jednostupňové studené sorpce, jednostupňové horké sorpce s kondicionováním a jednostupňové studené sorpce s kondicionováním na různých teplárenských zdrojích v ČR s těmito závěry: jednoduchým dávkováním vápenných sorbentů (především pak vápenného hydrátu) do vhodné oblasti ohniště (horká sorpce) nebo do kouřovodů před odlučovačem (studená sorpce) lze při použití vhodného sorbentu docílit účinnosti odsíření až 60 %, ( v případě horké sorbce i více, nicméně je její potenciál i nadále předmětem studia ) dávkovací zařízení je investičně nenáročné (silo sorbentu, hmotnostní dávkování s využitím tenzometry vážené násypky, dmychadla transportního vzduchu, úpravy stěn ohniště/kouřovodů, instalace rozprašovacích trysek, rozšíření řídícího systému zdroje, silo produktu/úpravy stávajícího hospodářství s tuhými zbytky spalování) účinnosti je dosahováno za vyšších spotřeb sorbentů, Vzhledem k tomu, že daní za nízké investiční náklady této technologie jsou vyšší spotřeby vápenných sorbentů, je nutné důsledné ekonomické posouzení srovnáním s nákupem nízkosirnatého paliva, vybudováním polosuché či jiné vyspělejší odsiřovací technologie, omezením výroby apod. / 183 /

6 SNIŽOVÁNÍ EMISÍ SO 2 U ZDROJŮ SPALUJÍCÍCH ČERNÉ UHLÍ SPOLUSPALOVÁNÍ BIOMASY Další z možností řešení emisí SO 2 (v tomto případě řešení nutnosti plnění stanoveného emisního stropu v t SO2 /rok) u již existujících zdrojů na černé uhlí je spoluspalování biomasy. Jako příklad budiž uvedeno zadání jednoho z provozovatelů, který potřeboval znát dopad spoluspalování kvalitní dřevní hmoty v rozsahu 25 % tepelného příkonu teplárny na hodnoty emisí SO 2 a na spotřebu sorbentu pro jednoduchou suchou sorpci (pokud by bylo nutno toto odsíření realizovat). Dřevní hmota má být doplňkovým palivem k třem zadaným druhům černého uhlí: černé uhlí z dolu ČSA (HP, HP2), energetický prach z dolu Darkov (EP) a polské uhlí Wieczorek M II A. Předpokládejme dřevní hmotu o prvkovém složení, jak je uvedeno v tab. 1: Tab. 1 Předpokládané chemické složení dřevní hmoty Složka Hmotnostní podíl (%) C r 42,55 H r 4,61 S r 0,02 N r 1,06 O r 32,38 Popeloviny A r 3,78 Vlhkost W r 15,60 Q r i = 15,3 MJ kg 1 Na základě výpočtu roční emise SO 2 lze říci, že spoluspalování dřevní hmoty s podílem 25 % tepelného příkonu by mělo umožňovat používat černé uhlí s obsahem síry cca Sr=0,32 % bez nutnosti budovat odsiřovací zařízení. Pokud se jedná o jednotlivá zadaná uhlí, nepochybně dojde ke snížení výstupní koncentrace SO 2 ve spalinách, neboť část spalin bude pocházet ze spalování dřevní hmoty s koncentrací SO 2 cca 72 mg.nm -3. Snížení koncentrací SO 2 z původní hodnoty bez spoluspalování dřevní hmoty (šedá) na hodnotu se spoluspalováním (černá) přibližuje tab. 2: Tab. 2 Snížení výstupní koncentrace SO 2 ve spalinách díky spoluspalování dřevní hmoty (podíl 25 % tepelného příkonu) SO 2 (mg.nm-3) HP HP 2 EP WIECZOREK M II A Snížení výstupních koncentrací SO 2 má za následek snížení žádaných účinností odsíření pro jednotlivé varianty uhlí viz tab. 3. / 184 /

7 Tab. 3 Snížení žádaných účinností odsíření pro jednotlivé varianty uhlí a emisních limitů díky spoluspalování dřevní hmoty (podíl 25 % tepelného příkonu) Účinnost odsíření (%) při požadavku 3 SO 2 out = 550 mg.nm -3 HP HP 2 EP WIECZOREK M II A Budeme-li předbíhat v závěrech, je v tab. 4 uveden pokles ročních spotřeb suchého sorbentu (u suché jednostupňové studené sorpce). Tab. 4 Odhadovaný pokles ročních spotřeb suchého sorbentu díky spoluspalování dřevní hmoty (podíl 25 % tepelného příkonu) Snížení ročních spotřeb sorbentu při požadavku SO 2 out = 550 mg.nm -3 HP HP 2 EP WIECZOREK M II A % - 56 % - 46 % % Lze předpokládat, že zajištění takového množství kvalitní dřevní hmoty, aby pokrylo 25 % roční spotřeby tepla v palivech, je problematické, proto předcházející údaje mají spíše informativní charakter. Tento předpoklad se potvrdil v průběhu další spolupráce se zadavatelem studie, který kromě maximálního možného podílu biomasy (max. 10 % hmotnostně) specifikoval i reálně zajistitelné druhy biomasy (otruby, piliny). V této souvislosti je třeba zmínit, že po průzkumu reálných možností zásobování biomasou došlo kromě znatelného omezení množství dostupné biomasy také k zhoršení jejich vlastností z pohledu snižování emisí SO 2, neboť uvedená biomasa má mnohem větší obsah síry než dříve předpokládaná kvalitní dřevní hmota: otruby: S r =0,22 % SO 2 = cca 700 mg.nm -3 ( = již srovnatelné s černým uhlím ) piliny: S r =0,07 % SO 2 = cca 300 mg.nm -3 Je zřejmé, že tato dostupná biomasa mnoho prostoru pro snižování emisí SO 2 neposkytuje. S přihlédnutím na nutné konstrukční úpravy a investiční náklady v oblasti palivového hospodářství a k možným provozním problémům v prostoru ohniště (nápeky apod.) se jeví přínosy spoluspalování biomasy v tomto zdroji jako diskutabilní. Nicméně je třeba konstatovat, že mohou existovat zdroje, v jejichž blízkosti je dostatečný zdroj kvalitní (hlavně co se týče vlhkosti, výhřevnosti a obsahu síry) biomasy, s takovým spalovacím zařízením, které bude spoluspalování ve větším množství umožňovat. U takovýchto zdrojů je spoluspalování biomasy možným nástrojem k řešení emisí SO 2 při narůstajícím obsahu síry v doposud spalovaném černém uhlí. PODĚKOVÁNÍ Tento příspěvek vznikl za podpory Ministerstva průmyslu a obchodu České republiky v rámci programu Impuls - FI-IM2/159 "Výzkum souběžného odsiřování spalin a vývoj technologie pro jeho průmyslovou aplikaci". 3 Hodnota vyplývající z požadavku splnění emisního stropu v tso2/rok. Nejedná se o emisní limit jako takový. / 185 /

8 / 186 /