Technologie přímého aditivního odsíření pro fluidní kotle malých a středních výkonů Ing. Matěj Obšil, Uchytil, s.r.o. doc. Ing. Jan Hrdlička, Ph.D., ČVUT v Praze, Ústav energetiky
MOTIVACE Ø emisní limit pro SO 2 od 1. 1. 2018 v kategorii 5-50 MW tep. příkonu pro spalování uhlí bude nově 1500 mg/nm 3 (6 % O 2 ref, suchý plyn); neplatí technické podmínky provozu pro minimální účinnost odsíření (platné až pro zdroje >50 MW) Ø tento nový emisní limit nelze bez aplikace některé odsiřovací metody splnit ani s využitím nízkosirného uhlí Ø spoluspalování bezsirné biomasy v řadě případů není možné nebo není efektivní (konstrukční, provozní, logistické, či ekonomické hledisko) Ø suchá aditivní technologie je nejlevnějším možným způsobem snížení emisí SO 2 při spalování uhlí Ø ve fluidních kotlích lze dosáhnout přijatelné účinnosti odsíření; vhodné mj. pro teplárenské provozy s kotli o nižších výkonech
PRINCIP Ø přímé dávkování aditiva (především vápence) přímo do fluidní vrstvy Ø 2 možné mechanismy reakce kalcinace nebo přímá sulfatace CaCO 3 CaO + CO 2 CaCO. MgCO CaO + MgO + CO 3 3 2 2CaO + 2SO CaSO 2 + O2 2 4 2 kalcinace Kalcinace vápence je endotermní reakce odebírá z fluidní vrstvy teplo (182 kj/mol, tj. např. 1 kg kalcinovaného vápence odebere cca 1,8 MJ tepla). Ostatní reakce jsou exotermní (uvolňují teplo). 2CaCO + CO 3 + 2SO2 + O2 2CaSO4 2 2 přímá sulfatace
KALCINACE x PŘÍMÁ SULFATACE Ø závisí na teplotě a parciálním tlaku (koncentraci) CO 2, tj. na přebytku spalovacího vzduchu Ø záchyt SO 2 cestou kalcinace je podstatně výhodnější (rychlost reakcí, dosahovaná konverze) CO 2 partial pressure [bar] 0,5 0,4 Direct sulphation 0,3 Calcination 0,2 0,1 Typical CO 2 concentration 0,0 700 720 740 760 780 800 820 840 860 880 900 Temperature [ C]
PARAMETRY ovlivňující účinnost odsíření ve fluidní vrstvě Ø stechiometrický poměr Ca/S, tj. množství přivedeného sorbentu na jednotkový obsah síry v uhlí Ø teplota fluidní vrstvy Ø přebytek spalovacího vzduchu (ve vrstvě!) Ø fluidační rychlost Ø granulometrie sorbentu Ø další fyzikálně-chemické vlastnosti sorbentu (např. velikost vnitřního povrchu, struktura pórů, deformace porézní struktury při vyšších teplotách a kalcinaci, obsah příměsí, apod.) nelze ovlivnit, dáno vlastnostmi sorbentu v daném ložisku Ø distribuce síry v palivu
Ø platí vztah: Stechiometrický poměr Ca/S η = 1 e K.( Ca/ S ) konstanta K se pohybuje u českých hnědých uhlí v rozmezí cca 0,2 0,5 SO 2 capture ratio [%] 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Ratio Ca/S [mol/mol] CBC+L1 CBC+L2 GYC+L1 GYC+L2
Teplota Ø existuje optimální teplota, při které je za daných podmínek účinnost odsíření nejvyšší (cca 840-880 C) Ø nižší teplota = pomalý průběh kalcinace Ø vyšší teplota = deformace porézního systému sorbentu, zpětný rozklad produktu odsíření, intenzivní při vyšší koncentraci CO: Ø silný vliv distribuce síry v uhlí 70 CaSO 4 3CaSO + 4CO 4 + CaS CaS 4CaO + 4CO 2 + 4SO 2 Účinnost odsíření [%] 60 50 40 30 fialová = více org. S v hořlavině červená = typické hnědé uhlí ČR 20 780 790 800 810 820 830 840 850 860 Teplota fluidní vrstvy [ C]
Přebytek vzduchu Ø zásadně rozhoduje rozložení síry v uhlí Ø více organické síry v prchavé hořlavině = fialová Ø více pyritické síry a více org. síry ve fixní hořlavině = červená typické české hnědé uhlí Ø přebytek vzduchu má větší vliv na účinnost odsíření, než teplota 70 Účinnost odsíření [%] 60 50 40 30 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Koncentrace O 2 ve vrstvě [%]
Granulometrie sorbentu Ø pro stacionární (bublinkovou) fluidní vrstvu optimum cca 250 300 µm Ø vliv je relativně slabý 70 SO 2 capture ratio [%] 60 50 40 30 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 Mean sorbent particle size [mm]
Zkoušky na reálném zařízení Pro zkoušky byl vybrán uhelný parní kotel v Klatovech Typ: Roštový kotel s prvky fluidní techniky Parametry Kotle: Ø Jmenovitý výkon: 11 t/h Ø Jmenovitý tlak: 25 Bar (a) Ø Jmenovitá teplota páry 330±8 C
Kotel K4 KLATOVSKÁ TEPLÁRNA
Popis zkoušek Ø Zkoušky probíhaly v březnu a dubnu 2017 Ø V kotelně K4 bylo instalováno zkušební zařízení dávkování vápence. Ø Vápenec byl dávkován přímo do kotle pomocí pneudopravy. Ø Zkoušky probíhaly za plného provozu kotle. Ø Spalované uhlí HP1 Bílina Ø Odsiřovací médium Vápenec D5 Čertovy Schody Vápenec La farge Čížkovice. Ø Měření probíhalo za ustáleného provozního režimu 7,5 t/h. Ø Měněné parametry: - teplota v loži - množství vápence - přebytek vzduchu ve vrstvě Během zkoušek byla měřena spotřeba aditiva, emise a byly odebírány vzorky uhlí pro stanovení skutečného množství síry v palivu.
Dávkovací zařízení Vstup aditiva do kotle
Výsledky zkoušek SO 2 Účinnost odsíření Vápenec Teplota v Loži Obsah mg/m 3 ref bez odsíření Skutečně naměřené hodnoty mg/m 3 ref % C 1950 1550 20,51 sorbacal 920 2030 1430 29,56 sorbacal 900 1900 1670 12,11 lafarge 900 1800 1500 16,67 lafarge 850 2204 1411 35,98 sorbacal 865
V rámci zkoušek bylo provedeno měření akreditovanou měřící skupinou 1550 1500 1450 1400 SO2 mg/m3 ref 1350 SO2 mg/m3 ref 1300 1250 1200 10:00 10:15 10:30 10:45 11:00 11:15 11:30 11:45 12:00 12:15 12:30 12:45 13:00
VYHODNOCENÍ MĚŘENÍ Po dobu tří hodin byly hodnoty emisí SO 2 udržovány pod hranicí 1500 mg/m 3 pomocí regulace množství dávkovaného aditiva. Měřením bylo prokázáno že lze pomocí suché aditivní metody splnit emisní limity pro SO 2 Platné od 1. 1. 2018. Spotřeba aditiva byla vyšší než teoretická vypočtená. Je to přičítáno více sirnatému uhlí v době zkoušek a ne úplně dokonalé distribuci aditiva ve vrstvě.
ZÁVĚR Ø Během zkoušek byly prokázány vlivy teploty vrstvy, stechiometrií ve vrstvě, vlastnostmi vápence, distribuce aditiva ve vrstvě na účinnost odsíření; Ø řízení teploty ve vrstvě pomocí recirkulace spalin snižuje přebytek vzduchu a tím ovlivňuje účinnost odsíření (dle distribuce síry v palivu) Ø lze dosáhnout emisní limit 1500 mg/nm3 i u vysokosirnatých uhlí, i když za cenu vyššího množství aditiva Ø prezentovaná data a grafy pocházejí z experimentů na fluidních kotlích a uhelném kotli v Klatovech Ø Pro realizaci finálního řešení je nutná úprava způsobu distribuce aditiva ve vrstvě.
DĚKUJI ZA POZORNOST!