Kadm i rtęć w produkcji energii z paliw stałych w energetyce

Kadm i rtęć w produkcji energii z paliw stałych w energetyce

Kadm i rtęć w produkcji energii z paliw
stałych w energetyce rozproszonej
Krystyna Kubica, Politechnika Śląska, Gliwice
Plan prezentacji
•
•
•
•
•
•
•
•
„mała” energetyka rozproszona, SCIs
technologie, techniki spalania paliw stałych w SCIs
zachowanie rtęci w procesie spalania
zawartość rtęci w paliwie - wskaźniki emisji
emisja rtęci w EU z SCIs
czystsze technologie spalania paliw stałych w sektorze
mieszkaniowym
emisja rtęci i kadmu z SCIs (sektor komunalny
i mieszkaniowy i w Polsce)
moŜliwości ograniczenia emisji Hg i Cd z sektora
mieszkaniowego
Produkcja energii, spalanie paliw – instalacje LCP, SCIs
Instalacje spalania duŜej mocy LCP >50MWth
Zasady:
→ zapobiegania zanieczyszczeniom
→ zrównowaŜonego rozwoju
Dyrektywy:
NR 96/61 /WE, IPPC w/s zintegrowanego zapob. zaniecz.
NR 96/62/ EC w sprawie oceny i kontroli jakości powietrza
Nr 80/EC w sprawie ograniczenia emisji do powietrza
Nr 81/EC w sprawie górnej granicy krajowych emisji do powietrza niektórych
substancji
Instalacje spalania małej mocy SCIs ≤ 50MWth
Dyrektywy???: Brak uregulowań UE
ZróŜnicowana moc:
średnie (M)
50-20MWth
małe (M)
20-1MWth
bardzo małe (VS)
< kilku kW - 1MWth
RóŜne sektory (komunalny, mieszkaniowy, rolnictwo, przemysł), róŜne technologie, róŜne paliwa
Uwarunkowania: Ekonomia!!! Technika Ekologia
BAT i/lub Dobre Praktyki!!
Organizacja procesu spalania
Technologie, techniki spalania – organizacja procesu spalania
(wielkość ziarna, homogenizacja mieszanki paliwowej i tlenu, temperatura, czas przebywania
w strefie utleniania)
▪ pyłowe (w strudze)
▪ fluidalne
▪ w warstwie (złoŜe stacjonarne) - SCIs
Zanieczyszczenia: PICs - CO, TOC, VOCs, NVOCs, WWA, PCDD/Fs (toksyczne
zanieczyszczenia organiczne), pył – TSP, PM2.5 i PM10, metale cięŜkie (Hg, Cd, Pb, As) oraz
NOx
Właściwości fizykochemiczne paliwa
▪ C, H, N, S, Cl ,O ,F
▪ popiół - metale cięŜkie
Zanieczyszczenia: pył TSP (PM10, PM2.5), metale cięŜkie (Hg, Cd, Pb, As, Ni, V..), SOx, NOx,
PCDD/Fs
Sposoby redukcji emisji
▪ Pierwotne proces, paliwo
▪ Wtórne
technologie oczyszczania spalin, procesy redukcji (katalizatory, dopalanie itp.)
Strategia tematyczna czystego powietrza (Clean Air For Europe CAFE)
Komunikat Komisji dla Rady i Parlamentu Europejskiego Bruksela,
COM(2005) 447 21.9.2005
Instalacje spalania małej mocy (SCIs) < 50 MWth
▪ IPPC dla źródeł o mocy <50 MWth ?
▪ dyrektywa eko – wzoru dla SCIs (normy techniczne, standardy
emisji, jakości paliwa) EuPs Eco-design DYREKTYWA ekowzoru
(2005/32/EC
▪ etykietowanie energii, energetyczna efektywność budynków z
uwzględnieniem audytu instalacji produkcji energii; DYREKTYWA
2002/91/EC z dnia 16 grudnia 2002 r. dotycząca jakości
energetycznej budynków
Projekty badawcze SCIs DGTREN:
Cost and environmental effectiveness of reducing air pollution for small-scale combustion installations AEATechnology UK, 2003 - 2004
Costs and environmental effectiveness of options for reducing mercury emissions to air from small-scale
combustion installations - AEATechnology UK , NILU Polska 2005 - 2006
Small Combustion Installations; Draft of Chapter for “Emission Inventory Guidebook” (2004 - 2006) - Kubica K.,
Paradiz B., Dilara P., Klimont Z. i inni
Preparatory Studies for Eco-design Requirements of EuPs (II) [TREN/D3/390-2006/Lot15/2007/S07.74922] 20072009; S. Mudgal, L. Turunen BIO IS France, R. Stewart M. Woodfield, AEAT UK, K. Kubica, R. Kubica ITT SUT
POLAND
SPALANIE w SCIs –
emisja rtęci w krajach UE
56%
28%
SO2
Power sector
SCIs
16%
Other sources
30
Nat totals
Power sector
25
Emission (tonnes)
NOx
PM10
SCIs
20
15
10
5
0%
10%
20%
30%
Non Ind. SCIs
40%
Ind. SCIs
50%
60%
LCP
70%
80%
0
PL ES DE FR IT RO GB TR BG SK GR BE CZ CH IE CY DK PT AT HU SE FI NO SL NL LT EE LU LV
Country
Emission from LCP and SCIs; Pye S. at al..
AEAT/ED48256/Draft Final Report 2004
Emission of Hg; Kubica K., Kubica R., Pacyna J., NILU Polska,
Brussels, September 2005
Emisja Hg z SCIs w UE
Dystrybucja emisji Hg w róŜnych
sektorach SCIs w EU25
emisji
Hgtotals
z bySCIs
ProjectedPrognoza
% contribution to mercury
emission
fuel typeze
(SCIs)spalania
róŜnych paliw
21%
Solid_fuels
2002
3%
11%
Liquid_Fuels
Gaseous_fuel
26%
Biomass
2010
3%
62%
9%
36%
46%
2020
18%
Industrial
5%
Comm_Inst
Residential
65%
AFF
17%
57%
8%
Kubica K., Kubica R., Pacyna J.,
NILU Polska; Brussels, September , 2005
13%
Czystsze technologie, redukcja emisji oraz redukcja zuŜycia
energii pierwotnej
Technikaspalaniadolnego
wcałej objętości złoŜa.
● czystsze paliwa stałe: zawartość
popiołu, siarki, metali cięŜkich (min.
As, Cd, Cr, Cu, Hg, Ni, Pb, itd.),
uziarnienie (dobór do technologii
spalania)
A
SPALINY
Warstwapaliwa
Piecokuchnie
Piececeramiczne
Piecestałopalne
Kotłykomorowe
Technikaspalaniagórnego
wczęści objętości złoŜa.
POWIETRZE
● czystsze technologie spalania w
warstwie:
◊ maksymalizacja sprawności
energetycznej (pierwotne metody)
◊ minimalizacja obciąŜenia dla
środowiska (min. emisji: CO, NOx,
SOx, TOC, oczyszczanie spalin
(wtórne metody)
C
SPALINY
Warstwapaliwa
Technikaspalaniadolnego
wczęści objętości złoŜa.
B
Kotły retortowe
Kotły komorowemiałowe
NATURALNYDOPŁYW
SPALINY
DOZOWANIEPALIWA
POWIETRZE
arstw
WarstwaW
paliw
a apaliwa
Kotły komorowe
POWIETRZE
Maksymalizacja przetworzenia energii
chemicznej paliwa
w energię uŜyteczną, minimalizacja
obciąŜenia dla środowiska!!!
K. Kubica, ITC Politechnika Śląska; Węgiel w komunalnej polityce eko-energetycznej, Zabrze, marzec 2008
Przemiany rtęci w procesie spalania
reakcje chemiczne
F. Frandsen, K. Dam-Johansen, P. Rasmussen, Prog. Energy Combustion Science 20 (1994) 115– 138.
Reakcja
Temperatura spalin,
o
C
HgO(g) ⇔
Hg0(g) + 2O2(g)
320b, 680c
HgCl2(g) + H2O(g) ⇔HgO(g) + 2HCl(g)
430c
HgSO4(s) ⇔
HgO(g)+SO2(g)+1/2O2(g)
320
HgO(s) ⇔
HgO(g)
170a
HgSO4(s) +Cl2 ⇔
HgCl2(g)+SO2(g)+O2(g)
110c
a- wykluczając obecność HgSO4(s) w modelu; b- przy braku chloru; c- w obecności chloru;
(s)-postać stała; (g)-postać gazowa
Specjacja rtęci dla paliw stałych instalacjach małej mocy
w energetyce rozproszonej
Przewidywana specjacja rtęci w spalinach ze spalania węgli energetycznych
U.S.-EPA R&D, Prep. by NRMRL; ,,Control of mercury emissions from coal-fired electric utility boilers”; Office of Air Quality
Planning and Standards
Zawartość rtęci w paliwie - wskaźniki emisji
Zawartość
Hg mg/kg
Wskaźnik emisji
mg/GJ
0.01 – 0.615
(0,211)
0,39 – 24,34
(5,35)
Koks
<0,04
<1,5
Paliwo
bezdymne
<0,03
<1,0
0,013- 0,071
0,9 – 4,4
0,08 – 0,8
5,0 – 50,0
0,018 – 0,059
1,0 – 9,0
Paliwo
Wegiel
kamienny
Drewno
Kora
Słoma
S Pye, G. Jones, R. Stewart, M. Woodfield, K. Kubica, R. Kubica, J. Pacyna; Costs and environmental effectiveness of
options for reducing mercury emissions to air from small-scale combustion installations; AEAT/ED48706/Final report v2
Emisja Hg z SCIs w UE
1800
1600
1400
Hg contentsmg/Mg
1200
1000
800
600
400
200
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28
Sam ple no.
Zawartość rtęci w polskim węglu
S Pye, G. Jones, R. Stewart, M. Woodfield, K. Kubica, R. Kubica, J. Pacyna; Costs and environmental effectiveness of
options for reducing mercury emissions to air from small-scale combustion installations; AEAT/ED48706/Final report v2
Wskaźniki emisji rtęci
specjacja emitowanej rtęci
Paliwo
Węgiel
Hg0
Instalacja spalania
(gaz.)
Hg
Hg+2 (zaadsorb.
PM
pyle); Hg
Niepewność
Pomiaru, %
Piece / Kominki
0.3
0.35
0.35
50 - 150
Kotły ręcznie zasilane paliwem
0.4
0.4
0.2
50 - 150
0.5
0.4
0.1
0.6
0.3
0.1
Kotły
automatycznie
zasilane
50 - 150
paliwem
Kotły ręcznie zasilane paliwem
Biomasa Kotły
paliwem
automatycznie
zasilane
0.65
0.3
0.05
100 - 300
100 - 300
Kubica K., Paradiz B., Dilara P., Klimont Z., Kakareka S., Dębski B.; Small Combustion Installations; Chapter for “Emission
Inventory Guidebook”; UNECE Task Force on Emission Inventories and Projections, (2006), pp. B 1-96;
http://reports.eea.europa.eu/EMEPCORINAIR4/en/B216v2.pdf
Energetyka rozproszona małej mocy w Polsce
Emisja Hg i Cd
Spalanie poza przemysłem sektor komunalny i mieszkaniowy
Gospodarstwa domowe
- 9,0 mln ton (230 337 TJ) węgiel kam.
- 0,25 mln ton (2 566 TJ) węgiel brun.
(102 500 TJ) drewno opał.
Usługi
- 1,21 mln ton (30 831 TJ) węgiel kamienny
Leśsnictwo, rolnictwo i inne
- 1,6 mln ton (41 600 TJ) węgiel kamienny
- 0,25 mln ton (2 486 TJ) węgiel brun.
- Drewno opałowe (19 024 TJ)
Sumarycznie sektor komunalny i mieszkaniowy
• Cd – 25 528,1 kg; 65,5% emisji krajowej
• Hg – 1 472,8 kg; 10,1 % emisji krajowej
RAPORT Krajowa Inwentaryzacja..; KOBIZE Warszawa luty 2011
Cd [kg]
Hg [kg]
17 082,0
1 577,1
102,5
936,0
11,1
41,0
1 632,2
246,6
3 036,8
1 765,3
19,0
166,4
12.4
7,6
Zawartość rtęci w paliwie – dane pomiarowe
Paliwo
Wegiel
kamienny
Pelety/drewno liściaste
tereny miejskie
Słoma
Zawartość
Hg mg/kg
0.011 – 0.044
Zawartość Cd
mg/kg
0,15 – 0,335
0,01/0,015-0,033
0,013/0,5-8,5
0,011 – 0,014
0,24 – 0,35
Opracowanie technologii niskoemisyjnego spalania paliw stałych – węgla i biomasy, w kotłach małej mocy oraz strategii ich
wdraŜania, K.Kubica i inni, Raport ITC Politechnika Śląska nr PBR-16/RIE-6/2007 Proj. Nr R06 009 03 2007-2011
Emisja rtęci w paliwie – oszacowanie
w oparciu o pomiary
Emisja rtęci w kotłach małej mocy w 2007 roku
900,0
800,0
E m isja, kg
Emisja, kg
Emisja rtęci w kotłach małej mocy przy wskaźniku 4 mg/GJ
800
700
600
500
400
300
200
100
0
700,0
600,0
500,0
400,0
300,0
200,0
100,0
0,0
Kotły ręczne, 4 mg/GJ
Kotły ręczne
Kotły retortowe
Kotły retortowe, 0,64 mg/GJ
Wskaźnik emisji
Emisja rtęci w kotłach małej mocy w 2008 roku
2007
900,0
800,0
2008
Emisja, kg
Rok
700,0
600,0
500,0
400,0
300,0
200,0
100,0
0,0
Kotły ręczne, 4 mg/GJ
Kotły retortowe, 0,64 mg/GJ
Wskaźnik emisji
Opracowanie technologii niskoemisyjnego spalania paliw stałych – węgla i biomasy, w kotłach małej mocy oraz strategii ich
wdraŜania, K. Kubica i inni, Raport ITC Politechnika Śląska nr PBR-16/RIE-6/2007 Proj. Nr R06 009 03 2007-2011
MoŜliwości ograniczenia emisji Hg, Cd
•
uciepłownienie – zintegrowane sieci ciepłownicze, wykorzystanie
nadmiarowego ciepła
•
substytucja paliwowa węgiel - gaz, olej, OŹE
•
produkcja, standaryzacja i certyfikacja kwalifikowanych „sortymentów” paliw
węglowych (kompaktowane paliwa węglowe, biomasowe), zawartość popiołu,
zawartość Hg
•
czystsze technologie spalanie paliw stałych – redukcja Cd, sumarycznie Hg,
ale wzrost Hg pierwiastkowej w formie gazowej
•
stosowanie urządzeń oczyszczających spaliny w instalacjach powyŜej 1 MWth
(docelowo od 0,1 MWth)
•
dobre praktyki produkcji energii cieplnej w sektorze mieszkaniowym,
edukacja, wdroŜenie zintegrowanego systemu zagospodarowania odpadów
komunalnych!!
Niezbędne wsparcie mechanizmami finansowymi, programy ograniczania
niskiej emisji (PONE)!
Dziękuję za uwagę!