Zawartość i sposoby usuwania rtęci z polskich węgli energetycznych

Zawartość i sposoby usuwania rtęci z
polskich węgli energetycznych
mgr inż. Michał Wichliński
Rtęć
Rtęć występuje w skorupie ziemskiej w ilości 0,05 ppm, w małych ilościach
można ją wykryć we wszystkich warstwach geologicznych. Naturalnym źródłem
emisji rtęci są skały, aktywność wulkaniczna oraz reemisja z ekosystemów
lądowych i wodnych.
Największymi antropogenicznymi emitorami w Europie w roku 2000 byli: Rosja
(część europejska), Polska, Niemcy, Hiszpania i Ukraina.
Wśród dziesięciu największych indywidualnych emitorów rtęci w Europie
wszystkie to elektrownie lub elektrociepłownie opalane węglem. Na tej liście
cztery miejsca zajmują obiekty znajdujące się w Polsce. Tak wysoka emisja
rtęci w jest spowodowana bardzo specyficzną strukturą nośników energii
elektrycznej i ciepła w Polsce. W 2005 roku około 90% energii elektrycznej
wyprodukowano ze spalania węgli kamiennych i brunatnych.
Węgle, jako złoża geologiczne są narażone na dysocjację rtęci z przyległych
skał wykazują także niejednorodny skład chemiczny, co jest powodem
występowania zanieczyszczeń i lokalnych różnic stężeń. Badania wskazują, że
głównym składnikiem węgli zawierającym rtęć jest piryt, cynober, sfaleryt,
klaustalit, a także związki organiczne.
Przekształcenia rtęci podczas spalania węgla
Rtęć emitowana jest do atmosfery w trzech głównych postaciach:
Hg0 – trudno rozpuszczalna w wodzie, utrzymuje się w powietrzu do około dwóch lat,
Hg2+ – związki rtęci utrzymują się w powietrzu od kilku dni do kilku tygodni; łatwo
rozpuszczalne w wodzie
Hg(p) – rtęć związana lub zaadsorbowana na cząstkach popiołu lotnego, utrzymują się
w atmosferze kilka dni do kilku tygodni, rozprzestrzeniają się w skali lokalnej.
Zawartość rtęci w polskich węglach energetycznych
300
Zawartość rtęci [ng/g]
Średnia
Błąd standardowy
Odchylenie standardowe
250
200
150
100
50
0
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53 55 57 59 61 63
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 52 54 56 58 60 62
Numer próbki
Emisja rtęci w odniesieniu do ciepła spalania [ng/J]
Emisja rtęci odniesiona do
ciepła spalania [ng/J]
0,007
0,006
0,005
0,004
Emisja rtęci [ng/J]
Dopuszczalny poziom
emisji rtęci przy
spalaniu węgli
kamiennnych, wg. US EPA,
wynoszący 0,0025 [ng/J]
0,025
Dopuszczalny poziom
emisji rtęci przy
spalaniu węgli
brunatnych, wg. US EPA,
wynoszący 0,0221 [ng/J]
0,020
0,015
0,003
0,010
0,002
0,005
0,001
0,000
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 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60
Węgle kamienne
Nazwa próbki
1
2
3
0,000
Węgle
brunatne
Dotychczas stosowane sposoby usuwania rtęci opierały się na wychwytywaniu par rtęci
ze strumienia spalin za pomocą węgla aktywowanego impregnowanego głównie jodem
lub siarką. Skuteczność tej metody, w zależności od sorbentu, może dochodzić do 93%.
Jednak w tej metodzie konieczne staje się przepuszczenie całego strumienia spalin
przez adsorber, co przy niewielkim stężeniu par rtęci w spalinach powoduje konieczność
zastosowania dużej ilości naddatku węgla aktywowanego. Przereagowany sorbent
zostaje usunięty ze strumienia spalin w elektrofiltrze.
Drugą metodą usuwania rtęci polega na poddaniu paliwa działaniu temperatury poniżej
temperatury zapłonu paliwa, przed wprowadzeniem go do kotła. Powoduje to uwolnienie
rtęci zawartej w paliwie, bez znaczącej straty w składnikach odpowiadających za
wartość opałową paliwa. Skuteczność tej metody zależy głównie od temperatury, oraz
czasu trwania procesu i wynosi około 90%. Zaletą tej metody jest zmniejszenie
strumienia oparów i zwiększenie koncentracji par rtęci, który trzeba oczyścić za pomocą
węgla aktywowanego. Szczególnie ważną zaletą tego procesu w przypadku węgli
brunatnych jest zwiększenie energii chemicznej paliwa poprzez pozbawienie go wilgoci.
Istotną wadą tej technologii jest konieczność doprowadzenia ciepła, jednakże można tu
wykorzystać ciepło odpadowe.
Nagrzewanie węgla w przedziale
temperatur 290÷320oC pozwala
na usunięcie ponad 75% rtęci
zawartej w węglu.
Podsumowanie:
1. Zawartość rtęci w przebadanych próbkach w polskich węglach
energetycznych wynosi od 15 ng/g, do 230 ng/g, przy średniej zawartości
rtęci 80 ng/g.
2. Podczas spalania węgla rtęć emitowana jest do atmosfery w trzech głównych
formach, jako: rtęć elementarna Hg0, rtęć dwuwartościowa Hg2+, oraz jako
rtęć zaadsorbowana na cząstkach popiołu lotnego.
3. Dopuszczalny poziom emisji rtęci podczas spalania węgla taki jak w USA
spowodowałby przekroczenie emisji podczas spalania około 50% polskich
węgli kamiennych.
4. Spalanie polskich węgli brunatnych nie spowodowałoby przekroczenia
dopuszczalnego poziomu emisji rtęci, gdyż poziom ten jest wysoki z uwagi na
dużą zawartość rtęci w amerykańskich węglach brunatnych.
5. Ilość uwolnionej rtęci podczas nagrzewania węgla wynosiła około 75%, w
przedziale temperatur 290÷320oC.