HENNLICH koncept ekologizace spalin

HENNLICH koncept ekologizace spalin Ing. Martin Pavliska, Ph.D. Obsah 1. Úvod...1 2. HENNLICH Hydro-tech - základna produktů pro ekologické aplikace...2 2.1 Trysky pro mokré odsíření...3 2.2 Lanzny s tryskami...6 2.3 SmartNOx kompaktní systém denitrifikace menších zdrojů znečištění...8 3. HENNLICH Engineering projekční a montážní možnosti...10 4. Závěr...11 1. Úvod Téměř při každé lidské činnosti dochází k vývinu škodlivých látek, které unikají do ovzduší. Jejich zdroje jsou velmi různorodé a lze je klasifikovat z různých hledisek, přičemž jsou zohledněny faktory jako je množství, vliv na okolí, lokalita, technologie, při níž vznikají apod. Současný stav v oblasti světové energetiky, ekonomiky a ekologie je ovlivňován především: rychlým zvyšování počtu obyvatel stále rostoucí spotřebou energie a elektřiny snižováním zásob fosilních paliv, které se převážně podílejí na uspokojení poptávky po energii a elektřině zhoršování kvality životního prostředí v důsledku emisí škodlivých látek vznikajících při výrobě elektřiny, při rozvoji průmyslu a dopravy předpokládáným růstem cen energie a elektřiny za předpokladu zahrnutí nákladů nutných na ekologizaci provozů. Emise unikající ze spalovacího procesu mohou být nevýznamné, nevyhnutelné a nebo škodlivé pro prostředí, tedy i pro člověka a mohou vznikat z: z nedokonalého spalování z obsahu paliva ze sekundárních reakcí

EMISE VODNÍ PÁRA OXIDY SÍRY OXIDY DUSÍKU OXIDY UHLÍKU UHLOVO- DÍKY SAZE, POPÍLEK Diagram rozdělení emisí Energetika se na celkovém znečištění ovzduší v ČR podílí jednoznačně největší měrou. Nejtíživějším problémem jsou zde především emise oxidů síry a dusíku, dále pak tuhé úlety a s nimi související emise těžkých kovů. Extrémně vysoký podíl energetiky na celkovém znečištění ovzduší je u nás dán specifickou skladbou energetických zdrojů, založených donedávna výlučně na spalování fosilních paliv (pomineme-li zanedbatelný podíl hydroelektráren, fungujících většinou jako zdroje špičkové), a současně i extrémně vysokou energetickou náročností výrob. Tato nevhodná skladba energetických zdrojů je sice v posledních letech postupně eliminována stavbou jaderných elektráren a útlumem "těžkých", energeticky náročných výrob, nicméně spalování fosilních paliv bude ještě dlouho podstatným článkem naší energetiky. V této situaci je možná jen jedna cesta neutralizace negativních ekologických dopadů energetiky - důsledné zavádění technologií na odstraňování škodlivých složek ze spalin stávajících zdrojů a aplikace všech moderních postupů při stavbě zdrojů nových. Také firma HENNLICH s.r.o. se snaží rozvinout své aktivity na poli boje proti škodlivým emisím, ať již v plynné nebo tuhé podobě a k tomuto tématu se vztahuje náš příspěvek. 2. HENNLICH Hydro-tech - základna produktů pro ekologické aplikace Firma HENNLICH s.r.o. je tradičním účastníkem semináře Technologie pro elektrárny a teplárny na tuhá paliva a mnohým z vás není nutné ji detailně představovat. Již dříve zde byl prezentován sortiment vhodný pro protiemisní aplikace a dnes bychom chtěli hovořit a propojení jednotlivých odštěpných závodů s cílem nabídnout komplexní řešení. Jedním z našich dlouholetých partnerů je výrobce trysek německá firma Lechler GmbH se sídlem v Metzingenu nedaleko Stuttgartu, se kterou spolupracujeme již od roku 1991. Kromě toho, že je jedním z lídrů na trhu průmyslových trysek má ve svém portfoliu i trysky určené výhradně pro aplikace týkající se životního prostředí, jako např. odsíření nebo denitrifikaci. Výrobou trysek se zabývá již více než 130 let a během té doby přišla s mnoha technickými inovacemi a patentovanými řešeními a ne jinak je to i u ekologických procesů. Skupinu těchto trysek rozdělujeme na tzv. FGD, tedy odsíření a to především mokré a lanzny, což jsou jakési nosiče trysek, které se používají pro polosuché metody odsíření, denitrifikaci a chlazení plynů. Nejprve je vhodné se detailněji věnovat samotným produktům, které chceme použít pro zmiňovaný koncept ekologizace.

2.1 Trysky pro mokré odsíření Trysky pro mokrou metodu odsíření (Obr. 1) mají za úkol rozprášit vodnou suspenzi uhličitanu nebo hydroxidu vápenatého aby došlo k následným reakcím: 2 CaCO 3 + 2 SO 2 + O 2 + 4 H 2 O > 2 CaSO 4.2H 2 O + 2CO 2 nebo SO 2 + Ca(OH) 2 > CaSO 3 + H 2 O SO 2 + CaCO 3 > CaSO 3 + CO 2 kde vzniklý CaSO 3 dále reaguje CaSO 3 + 2 H 2 O + 1/2 O 2 > CaSO 4. 2 H 2 O. Obr. 1: Schématické znázornění mokrého odsíření Podstatné pro tuto reakci je co nejjemnější rozprášení suspenze a právě nová generace trysek TwinAbsorb, použitá již na několika místech i v ČR, se vyznačuje výbornými výsledky. Jde o patentované řešení se dvěma hrnci a tzv. sekundární atomizaci kapek (Obr. 2 a Obr. 3). O primární atomizaci hovoříme už při výstupu kapaliny z trysky, kdy je vlivem výtokové rychlosti a odporem okolního prostředí kapalina rozmělněna do kapek a přidáním druhého výtokového otvoru dostaneme vlastně dva paprsky, které na sebe působí. Dochází k další kolizi kapek a jejich srážkou se vytváří další menší kapky (Obr. 4). Tím dostaneme vlastně zadarmo větší množství menších kapek schopných se účastnit chemické reakce.

Obr. 2: Tryska TwinAbsorb E Obr.3. Tryska TwinAbsorb E Obr.4: Schéma vytváření oblastí sekundární atomizace Trysek TwinAbsorb je několik typů, především rozlišujeme plný a dutý kužel paprsku a pak trysky jednosměrné a obousměrné, stříkající jak nahoru, tak dolů. Právě u těch obousměrných je patrná druhá podstatná výhoda tohoto řešení a sice protisměrná rotace paprsků.

Obr. 5: Standardní tryska se stejnou rotací horního i spodního paprsku Obr.6. Tryska TwinAbsorb s protisměrnou rotací horního a spodního paprsku Pokud kapalina ze všech trysek rotuje jedním směrem (Obr. 5) nutí i spaliny přizpůsobit se tomu pohybu a tím je vytlačuje směrem ke stěnám absorbéru a tím unikají z dosahu kapek suspenze trysek umístěných ve středu a neúčastní se chemické reakce. Pokud ovšem paprsky trysek umístěných v patrech nad sebou rotují střídavým směrem (Obr. 6), jsou spaliny donuceny k cik-cak pohybu (Obr. 7) a dochází k mnohem většímu styku se suspenzí. Obr. 7: Proud spalin při střídavé rotaci paprsků Obr. 8: Trysky u stěny absorbéru Je nutné zmínit ještě jednu podstatnou zákonitost návrhu rozmístění trysek a to, trysky s dutým kuželem dávat do středu a trysky plným kuželem ke stěnám absorbéru. Zabráníme tak nežádoucímu poškození stěny absorbéru proudem suspenze, která je u dutého kužele soustředěna do obálky kuželového paprsku a dochází proto ke styku kapalina-stěna pouze v jedné křivce. Navíc je proud spalin stále tlačen ke středu (Obr.8).

Technologie mokrého odsíření není samozřejmě jen o tryskách a často je nutné při jeho modernizaci přistoupit ke komplexnímu řešení a vzít do úvahy všechny faktory ovlivňující kvalitu procesu. To samozřejmě představuje vysoké finanční náklady. Samotná výměna trysek za novou generaci TwinAbsorb představuje náklady výrazně menší. Je nutno přiznat, že není v našich silách procentuálně vyjádřit, o kolik se emise SOx sníží s novými tryskami, ale na druhou stranu můžeme předložit řadu pozitivních referencí a také publikované zprávy samotných uživatelů. Jsme schopni předložit návrh rozmístění trysek, určit jejich typy, materiál a připojení na potrubní rozvod. 2.2 Lanzny s tryskami Druhou velkou skupinou trysek pro ekologické aplikace jsou lanzny, tzn. nosiče trysek, s tryskami jak jednolátkovými (pouze kapalina), tak dvoulátkovými (kombinace kapaliny a nejčastěji vzduchu). Ty nejčastěji používáme k redukci emisí, jako je polosuchá metoda odsíření nebo denitrifikace, nebo k prostému chlazení horkých spalin. Často jsou na míru šité dané aplikaci a doprovázené dodávkou čerpací a regulační jednotky (Obr. 9). Takové řešení vyžaduje značnou orientaci v samotných spalovacích procesech, ale neobejdeme se bez spolupráce s odborníky na danou technologii. Často jen rozstříknout kapalinu nestačí, je nutné vědět co s kapkami spaliny udělají, když vezmeme v úvahu jejich teplotu a rychlost proudění. Navíc bývá požadavkem kompletní odpaření kapaliny v určitém prostoru, ať již je to reaktor nebo pouze potrubí. Z toho nám vychází, že se zde daleko více zabýváme velikostí a rychlostí rozstříknutých kapek než u procesu mokrého odsíření popsaného výše (Obr. 10). Obr. 9: Schéma procesu vstřikování do proudu spalin Obr. 10: Měření velikosti kapek laserovými paprsky Jak již bylo uvedeno, používají se zde obecně dva typy trysek: jednolátkové a dvoulátkové. Ty mohou být umístěny po jedné na každé lanzně nebo jsou navrženy v tzv. svazku, kdy jsou na jedné lanzně i čtyři trysky. Výhodou takového řešení, je použití menší trysky, která vytváří malé kapky a navíc dochází k sekundární atomizaci při střetu kapek sousedních trysek.

Jednolátková tryska využívá k regulaci zpětný tok, kdy se část kapaliny nerozstříkne, ale vrací se vnitřkem trysky zpět. Protože není použit atomizační vzduch, musíme pracovat s tlakem kapaliny přibližně 35 bar. Tryska si v regulačním rozsahu 10:1 udržuje stabilní velikost kapek a je často používaná v provedení svazková (Obr. 11). Mezi dvoulátkové trysky patří zejména Laval trysky (Obr. 12), kde pomocí vnitřního konusu a směšovací komory dochází k urychlení proudění až na rychlost zvuku. Kapky jsou velmi malé s vysokou rychlostí, což je jejich výhodou zejména při SNCR DeNOx aplikacích, kdy je nutné proniknout hluboko do proudu spalin. Paprsek je úzký 15 a regulační rozsah je 20:1. Ještě existují další typy dvoulátkových trysek, např. VarioJet se širokým paprskem 60. Ta je vhodná pro aplikace kdy je potřeba pokrýt větší průřez reaktoru. Obr.11: Tryska se zpětným tokem Obr. 12: Laval tryska Bylo již zmíněno, že součástí dodávky může být čerpací a regulační jednotka (Obr.13), která je napojena na centrální systém řízení. Regulace vstřikování probíhá na základě informací o množství spalin vstupujících do reaktoru a také na základě dosažených parametrů na konci procesu. Lanzny mohou být regulovány jak každá zvlášť, tak např. po okruzích. To je typické pro chlazení spalin z cementárenských pecí. Samotné řízení je pak v rukou provozní obsluhy, ta ví nejlépe co která technologie potřebuje.

Společnost zapsána do obchodního rejstříku u Krajského soudu v Ústí nad Labem v oddíle C, č.vložky 274 Obr. 13: Příklady regulačních a čerpacích jednotek 2.3 SmartNOx kompaktní systém denitrifikace menších zdrojů znečištění Vedle primárních opatření redukce oxidů dusíku jsou součástí modernizací spalování i sekundární metody SNCR a SCR tak, aby výsledné emise dosahovaly předepsaných limitů. Tam, kde investiční možnosti provozovatelů nedosahují dostatečné výše pro nasazení sofistikovaných systémů denitrifikace a kde spalovací komory kotlů nedosahují obrovských rozměrů lze s úspěchem nasadit jednotku SmartNox. Při metodě SNCR, která je častěji používaná pro sekundární redukci NOx, jde o vstřikování roztoku močoviny, což je také častější reagent, do proudu spalin o teplotě 850 1050 C. Probíhá zde následující reakce: (NH2)2 CO + 2NO + 0,5O2 2N2 + 2H2O + CO2 Samozřejmě stěžejním bodem je nalezení teplotního okna pro správný průběh reakce. U velkých kotlů je nutné použít nákladný měřící a analytický aparát, který je schopen velmi přesně určit místo vstřikování a na základě naměřených dat dokonce on-line řídit vstřikování jednotlivých trysek (Obr.14 a 15). Předpokládáme, že toto zařízení si nebudou všichni provozovatelé moci dovolit a půjdou jednodušší cestou, kdy provedou sérii teplotních měření a podle nich a na základě provozních zkušeností určí 2-3 vstřikovací roviny pro instalaci trysek. Každá rovina pak může být řízena samostatně jednotkou SmartNOx, ne však samostatně každá tryska (Obr.16). Jednotka je modulární sestavená na míru dané aplikace (Obr.17) podle počtu vstřikovacích trysek a vstřikovacích rovin. Hlavní prvky jednotky jsou vždy zdvojeny, aby nedošlo k přerušení činnosti a je instalováno i čidlo detekce úniku močoviny. Lze napojit potrubí s proplachovací vodou a připojit i profuk vzduchem pro trysky které nejsou momentálně v činnosti. V současnosti jsou v nabídce dvě velikosti jednotek SmartNOx: Typ 1 : 0,005 1 m3/hod reagentu při tlaku 0-10 bar g Typ 2 : 1 2,7 m3/hod reagentu při tlaku 0 10 bar g

Systém SmartNOx je speciálně určen pro menší DeNOx aplikace ve spalovnách odpadů, teplárnách, cukrovarech, sklárnách a cementárnách a pro další průmyslové kotle. Při využití našich znalostí v oblasti rozprašování kapalných médií přinášíme vhodné komplexní řešení. Obr. 14: Příklad vizualizace teplotního pole ve spalovací komoře ve vertikálním řezu Obr.15: Příklad vizualizace teplotního pole ve spalovací komoře v horizontálních řezech Obr.16:Schéma systému SmartNOx Obr.17: Jednotka SmartNOx

3. HENNLICH Engineering projekční a montážní možnosti V uvodu bylo zmíněno, že mnohé z projektů a realizací firmy HENNLICH byly již minulosti na tomto fóru představeny a proto se můžeme plně opřít o projekční schopnosti našich pracovníků. Stejnou cestou se chceme vydat i v případě ekologizace spalin. Není důvod proč kvalitní součástkovou základu nespojit v kompaktní celek a nenabídnout na trh komplexní řešení. Několikrát se to již podařilo v případě aplikací odprášení, nasazení energetických řetězů nebo mlžných děl. V oblasti ekologizace spalin vidíme možnosti především v dodávkách pro odsíření a denitrifikaci. Finančně silné zázemí firmy HENNLICH nám dovoluje pustit se do realizace ekologizačních projektů jako generální dodavatel. Ale samozřejmě se to neobejde bez spolupráce s partnery, kteří jsou nositeli know-how tam, kde to přesahuje naše možnosti. Příklad lze uvést na sekundárních optařeních redukce NOx (metoda SNCR). Projekt se skladá z dodávky následujících komponent (Obr. 18): Obr. 18: Schéma sekundárních opatření denitrifikace Část těchto dodávek jsme schopni realizovat sami, jako např. přípravu, skladování reagentu (Obr.19), vstřikování, potrubní rozvody a kabeláže, zbytek zajistíme ve spolupráci se subdodavateli. Častou otázkou a podmínkou kvalifikace do výběrového řízení jsou reference. Můžeme se opřít o reference dílčích částí projektu a reference subdodavatelů, ale nutno přiznat, že v této ucelené podobě nemáme dosud realizovanou aplikaci. Proto se naše snaha ubírá cestou spíše menších a středních projektů, tam kde lze například použít systém SmartNOx, jehož referenční list jsme schopni předložit.

Obr.19: Schéma procesu přípravy a skladování reagentu pro DeNOx Na druhou stranu poskytuje HENNLICH své produkty a know-how jako subdodavatel. Rozbíhá se spolupráce s firmou TENZA na projektu odsíření kondicionovanou sorpcí, kde budou použity naše lanzny s dvoulátkovými tryskami pro vstřikování vody do reaktoru. Toto řešení je mezistupněm mezi suchým a polosuchým odsiřováním a je detailněji popsáno v jiné části sborníku. 4. Závěr Úkolem tohoto příspěvku semináře bylo představit nový přístup firmy HENNLICH k řešení poptávek z oboru čištění a chlazení spalin, obecně snižování emisí. Dosud jsme se soustředili na dodávky jednotlivých komponent, ale situace na trhu nás přivedla ke změně postoje. Spojení součástkové základny a projekčních a montážních kapacit již přínáší první výsledky. Máme za sebou několik realizací odprášení provozů, poslední je kamenolom Eurovia. Účastníme se výběrových řízení projektů denitrifikace SNCR pro větší i menší zdroje znečištění. Na tomto poli máme zájem být i subdodavatelem velkým hráčům, kteří jsou schopni splnit přísná kvalifikační kritéria. Celá tato snaha vede k většímu posílení pozice firmy HENNLICH na trhu, jako partnera pro kompletní řešení, od projektu po realizaci.