kondycjonowanie spalin jako alternatywa dla budowy nowego

kondycjonowanie spalin jako alternatywa dla budowy nowego

PENTOL - ENVIRO POLSKA Sp. z o.o.
Osiedle Piastów 21B, 31-624 Kraków
Tel. +48 12 686 36 86, fax +48 12 686 11 01
www.pentol.pl, e-mail: [email protected]
KONDYCJONOWANIE SPALIN JAKO ALTERNATYWA
DLA BUDOWY NOWEGO ELEKTROFILTRU
– DOTYCHCZASOWE DOŚWIADCZENIA I PERSPEKTYWY
1.
WPROWADZENIE
Emisja pyłu jest jednym z podstawowych kryteriów oceny uciążliwości ekologicznej obiektów
energetycznych. Obowiązujące obecnie polskie przepisy [1] określają dopuszczalne wartości (standardy) emisji
(a ściślej stężeń) pyłu w zależności od wieku i wielkości źródeł emisji.
Polskie standardy emisji pyłu, które od 2008r. ulegną znacznemu zaostrzeniu będą zasadniczo zgodne z
obowiązującymi obecnie standardami Unii Europejskiej [2]. Należy jednakże wziąć pod uwagę, że obecna norma
unijna 30 mg/Nm3 dla nowych obiektów będzie stopniowo obniżana, np. w Niemczech w roku 2005 wchodzi w
życie standard 20mg/Nm3 (przy spalaniu razem z węglem paliw alternatywnych).
2.
ALTERNATYWNE METODY OBNIŻENIA EMISJI PYŁU
Zdecydowana większość eksploatowanych w Polsce kotłów wyposażona jest w elektrofiltry. Działania
mające na celu poprawę skuteczności istniejących elektrofiltrów celem spełnienia coraz ostrzejszych standardów
emisji idą generalnie w dwóch kierunkach:
Zmian konstrukcyjnych – przez zwiększenie gabarytu, zwiększenie podziałki, nowe rozwiązania
układów zasilających, a w razie konieczności – budowę nowego elektrofiltra.
Zmniejszenia rezystywności popiołu – popiół ze spalania polskich węgli jest wysokorezystywny –
co najmniej jeden lub dwa rzędy wielkości większy od uznawanego za optymalny z punktu widzenia skuteczności
odpylania.
Na rysunku nr 1 przedstawiono zależność skuteczności elektrofiltrów od rezystywności pyłu dla różnych
wielkości elektrofiltrów. Miarą wielkości elektrofiltru jest jednostkowa powierzchnia osadcza (ang. SCA), będąca
stosunkiem przepływu spalin do powierzchni elektrod osadczych.
η [%]
99.99
99.90
99.00
SCA = 140 [s/m]
SCA = 100 [s/m]
90.00
SCA = 60 [s/m]
1010
1,00E+11
1011
1,00E+12
SCA = 20 [s/m]
1,00E+13
1012
rezystywność pyłu [Ω cm]
Rys. 1 Zależność skuteczności elektrofiltru od rezystywności pyłu
Wrzesień 2008
2
Obniżenie rezystywności z 1012 do 1011 Ω cm umożliwia obniżenie emisji pyłu o 90%. Osiągnięcie tego
samego efektu przez zwiększenie jednostkowej powierzchni osadczej wymagałoby dwu- do trzykrotnego wzrostu
powierzchni elektrod zbiorczych. Dla węgli wysokorezystywnych (1012 Ω cm lub wyżej) obniżenie oporności
właściwej popiołu jest najskuteczniejszą drogą poprawy skuteczności elektrofiltru.
3.
INSTALACJA KONDYCJONOWANIA SPALIN ZA POMOCĄ SO3
Najczęściej stosowanym rozwiązaniem technicznym kondycjonowania spalin jest wdmuchiwanie
gazowego SO3 do kanałów spalin za podgrzewaczem powietrza, co potwierdza doświadczenie z eksploatacji
ponad 400 tego typu instalacji - najstarsze z nich pracują już ok. 30 lat.
Poniżej opisano zasadę działania i budowę typowych instalacji kondycjonowania spalin budowanych przez
firmę Pentol GmbH w Niemczech.
W zależności od wielkości instalacji i dostępności surowców stosuje się materiał wyjściowy w postaci
płynnej siarki bądź (dla małych obiektów) w postaci ciekłego SO2. W obu przypadkach instalacje charakteryzują
się zwartą budową (mieszczą się w standardowym kontenerze o długości 5-6 m), pełną automatyzacją rozruchu i
odstawiania, samoczynną regulacją wydajności w zależności od obciążenia kotła z możliwością korekty dawki,
oraz absolutnym bezpieczeństwem (stosowane technologie, materiały oraz współczynniki bezpieczeństwa
odpowiadają wymaganiom energetyki jądrowej).
Rys. 2 Schemat instalacji kondycjonowania spalin na płynną siarkę
W większości przypadków stosuje się surowiec w postaci płynnej siarki. Rysunek 2 przedstawia schemat
takiej instalacji, a rysunki 3-9 przedstawiają jej poszczególne elementy. Siarka jest magazynowana w grzanym do
ok. 140°C zbiorniku bezciśnieniowym, skąd podawana jest pompą dawkującą o precyzyjnie regulowanej
wydajności oraz grzanym parą rurociągiem do zabudowanego w kontenerze palnika, gdzie ulega spaleniu na
SO2.
Mieszanka SO2-powietrze przechodzi następnie przez konwertor zawierający złoże katalizatora na bazie
pięciotlenku wanadu. SO2 ulega konwersji do SO3 ze sprawnością przekraczającą 90%. Egzotermiczna reakcja
utleniania (spalania) powoduje wzrost temperatury gazu (zależnie od wydajności instalacji) o kilkadziesiąt do
ponad stu stopni Celsjusza. Wytworzony w instalacji SO3 o temperaturze ok. 500-600°C podawany jest
izolowanymi rurociągami i wdmuchiwany za pomocą specjalnych chronionych patentem dysz do kanałów spalin.
Konfiguracja i rozmiary dysz dobierane są indywidualnie do każdego obiektu. Istnieje techniczna
możliwość zabudowy zaworów na rurociągach SO3 umożliwiających alternatywne kondycjonowanie spalin z
dwóch kotłów. Rozwiązanie takie ma zastosowanie dla kotłów szczytowych oraz w elektrociepłowniach
zawodowych i przemysłowych, gdzie tylko część kotłów pracuje jednocześnie.
Wrzesień 2008
3
Rys. 3 Zbiornik magazynowy płynnej siarki
Rys. 4 Pompy dawkujące siarkę
Rys. 5 Kontener z instalacją kondycjonowania spalin
Wrzesień 2008
4
Rys. 6 Wnętrze kontenera z instalacją kondycjonowania spalin, po lewej stronie piec do spalania siarki i konwerter SO2 do SO3, po
prawej podgrzewacz powietrza
Rys 7 Rurociągi między kontenerem a dyszami dawkującymi
Rys 8 Zabudowa dysz dawkujących SO3 na kanale spalin
Wrzesień 2008
5
B
Rys. 9 Widok ekranu komputerowego układu sterowania instalacją
4. WSPOMAGANIE EFEKTU KONDYCJONOWANIA SPALIN PRZEZ
DAWKOWANIE AMONIAKU
Przeważająca większość instalacji kondycjonowania spalin za pomocą SO3 pozwoliła na skutecznie
rozwiązanie problemu emisji pyłu. W nielicznych przypadkach jednakże stopień poprawy skuteczności
elektrofiltrów nie był w pełni zadowalający.
Najczęstsze przyczyny takiego stanu były następujące:
¾ Spalanie węgla o wysokiej zawartości siarki i wysokiej zawartości popiołu
¾ Bardzo wysoka temperatura spalin
¾ Wysoka zawartość części palnych w popiele
Celem pokonania tych ograniczeń wdrożono uzupełnienie kondycjonowania trójtlenkiem siarki o
dawkowanie amoniaku. Dodatkowy system dawkowania składa się z niskociśnieniowego zbiornika
maszynowego z parownikiem, układu regulacji dawki gazowego amoniaku, dmuchawy powietrza jako nośnika
amoniaku oraz rurociągu transportowego z dyszami wprowadzonymi do kanału spalin przed elektrofiltrem. W
przypadku podwójnego kondycjonowania dawkowanie amoniaku i SO3 odbywa się zawsze osobnymi dyszami.
Dawkowanie gazowego amoniaku do kanału spalin przed dyszami SO3 powoduje powstanie kwaśnego
siarczanu amonowego (NH4HSO4). Substancja ta działa na popiół powodując zlepianie się (aglomerację) popiołu
w większe cząstki na skutek zwiększonej kohezji. W efekcie rośnie skuteczność strzepywania – większość
cząstek spada z elektrod do lejów popiołowych, a stopień wtórnego porywania strzepywanego popiołu przez
strumień spalin jest znacznie niższy. Ma to szczególne znaczenie dla wysokich, ale krótkich elektrofiltrów
zwłaszcza gdy prędkość spalin jest stosunkowo wysoka.
Dawkowanie amoniaku okazało się szczególnie skuteczne dla wspomagania kondycjonowania spalin za
pomocą SO3 w przypadku popiołów o podwyższonej zawartości części palnych. Zjawisko to występuje często w
przypadku spalania niskoemisyjnego, zwłaszcza w przypadku częstych zmian jakości spalanego węgla.
Dodatek NH3 pozwala zmniejszyć dawkę SO3, a w efekcie obniżyć punkt rosy kwasu siarkowego i zapobiec
charakterystycznemu, niebieskawemu zabarwieniu spalin opuszczających komin. Zwłaszcza w przypadku
wysokich temperatur spalin (180oC i wyższych) kondycjonowanie samym SO3 wymagałoby bardzo wysokiej dawki
trójtlenku siarki – łączne dawkowanie SO3 i NH3 daje znaczne oszczędności surowca. Doświadczenia z
eksploatacji tego typu instalacji m.in. w Hiszpanii potwierdziły skuteczność metody dla węgla o niskiej jakości –
zbliżonego do węgla brunatnego.
Instalacje kondycjonowania z łącznym dawkowaniem trójtlenku siarki i amoniaku stanowią ok. 10%
łącznej ilości pracujących instalacji kondycjonowania.
Wrzesień 2008
6
5. EFEKTY KONDYCJONOWANIA SPALIN ZA POMOCĄ SO3
W WARUNKACH POLSKICH
Ogromną zaletą omówionego typu instalacji jest możliwość wykonania prób dawkowania za pomocą
instalacji przewoźnej, zasilanej ciekłym SO2 z butli. Do tej pory wykonano w Polsce pomyślne próby na kilkunastu
obiektach - kotłach węglowych i gazowo-węglowych o wydajności od 120 do 430 t/h, oraz na instalacji spiekania
rud żelaza. Pozwoliło to użytkownikom przekonać się, jakiego rzędu redukcji emisji mogą oczekiwać oraz jaka
jest optymalna dawka SO3. Praktycznie we wszystkich miarodajnie opomiarowanych próbach uzyskano redukcję
emisji pyłu w zakresie 60-90% przy dawce SO3 20 do 30 ppm. Jedynie w przypadku temperatur spalin
przekraczających 200°C potrzebna była dawka rzędu 40-50 ppm. Należy podkreślić, że warunkiem uzyskania
optymalnej redukcji emisji pyłu jest utrzymanie elektrofiltru w poprawnym stanie technicznym, zarówno po
stronie mechanicznej i elektrycznej. Wymagane są zwłaszcza: dotrzymanie właściwej podziałki
międzyelektrodowej, usunięcie elementów mogących powodować zwarcie, sprawne strzepywacze, szczelność
obudowy kanałów dolotowych oraz sprawne zespoły prostownikowe umożliwiające obciążenie znamionowym
prądem ulotu. W przypadku starych, wyeksploatowanych elektrofiltrów optymalnym rozwiązaniem jest
najczęściej regeneracja elektrofiltru (bez kosztownego zwiększania gabarytów) oraz kondycjonowanie spalin.
Ponieważ zabudowa instalacji kondycjonowania spalin nie wiąże się z długotrwałym odstawieniem kotła, można
zainstalować kondycjonowanie w I etapie, osiągając szybko doraźną poprawę, a następnie równolegle z innymi
pracami remontowymi poprawić stan elektrofiltru.
Na przełomie lat 1991/1992 przeprowadzono próby kondycjonowania spalin na dwóch „trudnych”
obiektach Huty Katowice, a mianowicie spiekalni rud oraz kotle pyłowo-gazowym. W obu przypadkach uzyskano
zdecydowanie pozytywne rezultaty. W przypadku spiekalni rud, mimo złego stanu technicznego elektrofiltru
uzyskano redukcję emisji pyłu o ok. 60% przy obniżeniu rezystywności pyłu o rząd wielkości. Również próby
kondycjonowania na kotle opalanym mieszanką węgla i gazu wielkopiecowego, którego elektrofiltr wykazywał
pogorszenie skuteczności przy spalaniu gazu pozwoliły wynieść 80% redukcji emisji pyłu w stosunku do stanu
bez kondycjonowania. Podobne wartości osiągane są na trzech instalacjach pracujących w sposób ciągły w
Hucie Sendzimira.
W latach 1991-95 zainstalowano w Polsce łącznie 13 instalacji na czterech obiektach:
Elektrociepłowniach Siekierki, Kraków i Łódź 2 oraz siłowni Huty im. T. Sendzimira. Dwie instalacje w EC2 w
Łodzi zostały w roku 2003, po 10 latach pracy wyłączone z eksploatacji i odsprzedane producentowi w związku z
likwidacją kotłów, na których były zainstalowane. Obecnie 7 instalacji zasilanych jest siarka, a 4 ciekłym SO2.
Kilkunastoletnie doświadczenie z przemysłowej eksploatacji instalacji kondycjonowania spalin w Polsce
potwierdzają uzyskanie w pracy ciągłej wyników zazwyczaj jeszcze lepszych niż podczas prób bez żadnych
ujemnych konsekwencji w zakresie eksploatacji elektrofiltrów oraz możliwości utylizacji popiołów.
Zaobserwowano również pewną zmianę roli instalacji w ciągu ostatniej dekady. Na początku lat
dziewięćdziesiątych większość elektrofiltrów w polskich elektrowniach reprezentowała stan techniki z lat
sześćdziesiątych i siedemdziesiątych, wiele z nich było już wyeksploatowanych. Zainstalowanie instalacji
kondycjonowania spalin pozwalało na osiągnięcie natychmiastowych efektów, a zwłaszcza na unikniecie kar za
przekroczenia emisji. W owym czasie można również było podjąć decyzję o przynajmniej czasowej rezygnacji z
budowy instalacji odsiarczania, w zamian za to spalając węgiel o niskiej zawartości siarki. W normalnych
warunkach spowodowałoby to drastyczne obniżenie skuteczności elektrofiltrów, ale dzięki kondycjonowaniu
spalin zjawisko to nie wystąpiło. 10 lat temu praktycznym efektem kondycjonowania spalin była poprawa
skuteczności typowych elektrofiltrów z 97-98% na 99,5%, a w skrajnych przypadkach bardzo złych elektrofiltrów
z 80% na 95%.
W latach dziewięćdziesiątych większość elektrowni i elektrociepłowni wymieniała lub zmodernizowała
swoje elektrofiltry. W elektrociepłowniach gdzie były zabudowane instalacje kondycjonowania spalin w
pierwszym okresie eksploatacji nowych elektrofiltrów ich wspomaganie wydawało się zbyteczne, jednak z
czasem, gdy skuteczność elektrofiltrów zaczęła powoli spadać, w większości przypadków wrócono do
kondycjonowania.
Zaletą instalacji kondycjonowania jest ich mobilność – koszty jej przeniesienia pomiędzy kotłami na tym
samym obiekcie są niewielkie, co umożliwia optymalne ich wykorzystanie w zależności od zmieniających się
potrzeb. W jednej z polskich elektrociepłowni dostarczone tam dwie instalacje były w przeciągu prawie 10 lat
przyłączone kolejno do pięciu kotłów.
Wrzesień 2008
7
6. WPŁYW INSTALACJI KONDYCJONOWANIA SPALIN NA EKSPLOATACJĘ
KOTŁÓW
Poniżej omówiono kilka najważniejszych aspektów eksploatacyjnych instalacji kondycjonowania spalin.
6.1
Wpływ kondycjonowania spalin na korozję elektrofiltru i kanałów spalin
Przez ponad 10 lat eksploatacji na żadnym obiekcie nie stwierdzono zjawiska przyspieszonej korozji.
Należy jednak pamiętać, że w przypadku nieszczelności kanału spalin lub elektrofiltru może pojawić się
niewielkie ognisko korozji wokół nieszczelności. Kondycjonowanie wymaga szczególnej dbałości o szczelność
elektrofiltru.
6.2
Wpływ kondycjonowania spalin na własności handlowe popiołu
Popiół lotny z elektrofiltrów objętych kondycjonowaniem spalin może być utylizowany lub składowany bez
żadnych ograniczeń w stosunku do popiołu z elektrofiltrów bez kondycjonowania. Dostępne są raporty
użytkowników instalacji kondycjonowania potwierdzające, że nieunikniony przyrost zawartości związków siarki
wynosi ułamek procenta (praktycznie cała zawartość SO3 w spalinach wiąże się z alkalicznymi składnikami
popiołu) i nie ma praktycznie żadnego wpływu na własności popiołu (popiół nie kondycjonowany również zawiera
siarczany).
6.3
Magazynowanie i transport siarki płynnej
Praktyka potwierdziła, że płynna siarka nie stwarza żadnych problemów eksploatacyjnych. Siarka płynna
wymaga utrzymania jej w ściśle określonym zakresie temperatury (ok. 1400C), co najwygodniej uzyskać za
pomocą grzania parowego. Zastosowanie pary o regulowanym ciśnieniu (ok. 0,35 MPa) zapewnia utrzymanie
temperatury siarki pod kontrolą nie tylko w zbiorniku magazynowym, ale i na liczącej czasami kilkaset metrów
trasie miedzy zbiornikiem a kontenerami z instalacją – bez potrzeby stosowania dodatkowych regulatorów.
Zużycie pary jest znikome – poniżej 100 kg/h. W stosunku do siarki granulowanej istotną zaletą siarki płynnej
jest łatwość rozładunku (rys 3) – w Polsce siarka dostarczana jest najczęściej w 50-tonowych cysternach (w
Europie Zachodniej najczęściej w cysternach samochodowych), a proces rozładunku nie jest uciążliwy dla
obsługi.
6.4
Bezpieczeństwo i bezobsługowość instalacji
Instalacja kondycjonowania dostarczona przez doświadczonego producenta jest wykonana w sposób
skutecznie zabezpieczający przed skutkami awarii lub błędu obsługi – każde poważniejsze zakłócenie w pracy
powoduje automatyczne, bezpieczne wyłączenie instalacji bez konieczności wykonywania jakichkolwiek
czynności przez obsługę. Płynna siarka jest materiałem nie stwarzającym istotnego dla ogólnych warunków
panujących w elektrowni zagrożenia – w przypadku ew. wycieku natychmiast zastyga. W przypadku instalacji
zasilanych SO2 jedynym rzeczywistym zagrożeniem może być znaczne uszkodzenie zbiornika magazynowego
dwutlenku siarki, dlatego też obecnie wykonuje się przede wszystkim instalacje zasilane siarką.
W ciągu ponad dwudziestu lat eksploatacji instalacji kondycjonowania spalin w Europie nie wydarzyła się
ani jedna awaria stwarzająca zagrożenie dla obsługi lub środowiska.
Dobrze zaprojektowana i wykonana instalacja jest (poza rozładunkiem surowca) praktycznie
bezobsługowa i nie wymaga dodatkowego personelu.
6.5
Współpraca instalacji kondycjonowania z instalacjami odsiarczania spalin
Jest to istotne zagadnienie z uwagi na nieunikniona konieczność wyposażenia w instalacje odsiarczania
kotłów pyłowych, które nie będą wyłączone z obowiązku dotrzymania obowiązujących standardów emisji SO2. W
przypadku instalacji suchych i półsuchych z reaktorem zlokalizowanym przed elektrofiltrem ilość pyłu do
wychwycenia wzrasta i instalacja kondycjonowania zapewnia utrzymanie emisji pyłu pod kontrolą. W przypadku
instalacji mokrych praca instalacji kondycjonowania nie ma (w potocznym mniemaniu) istotnego wpływu na
emisję pyłu do atmosfery (absorber pochłania większość pyłu przepuszczanego przez elektrofiltr), ale
pogorszona skuteczność elektrofiltru ma negatywny wpływ na eksploatację instalacji odsiarczania. Poniżej
przedstawiono praktyczne doświadczenia z eksploatacji mokrej instalacji odsiarczania spalin i instalacji
kondycjonowania spalin na dwóch przykładach:
Wrzesień 2008
8
6.5.1
Blok 350 MW należącej do koncernu E. ON. Elektrowni Staudinger w Hanau koło Frankfurtu.
Blok energetyczny wyposażony jest w instalację mokrego odsiarczania. Dostawca instalacji odsiarczania
wymaga od elektrowni dotrzymania stężenia pyłu na wejściu do absorbera (a więc za elektrofiltrem) poniżej 100
mg/Nm3 z uwagi na dwa istotne aspekty:
¾ dotrzymanie białości gipsu, co decyduje o jego przydatności handlowej (z bardzo istotnymi
konsekwencjami ekonomicznymi – gips w zależności od jego białości może być sprzedawalnym
surowcem albo odpadem wymagającym kosztownej utylizacji)
¾ utrzymanie w czystości podgrzewacza regeneracyjnego spalin (tzw. ReGaVo) – w praktycznym
przypadku Elektrowni Staudinger zaklejanie się podgrzewacza drastycznie obniża dyspozycyjność
całego bloku energetycznego.
Jak wspomniano powyżej, potocznie przyjmuje się, że dzięki pochłanianiu większości pyłu zawartego w
odsiarczanych spalinach przez absorber mokrego odsiarczania, nie ma obaw o dotrzymanie standardów emisji
dla źródeł z instalacjami mokrego odsiarczania. Sytuacja może ulec dramatycznej zmianie z chwilą kolejnego
zaostrzenia standardów emisji (od 2006 roku w Niemczech obowiązywać będzie standard 20 mg/Nm3 i przy
stężeniu rzędu 100 mg/Nm3 przed absorberem nie ma szans na dotrzymanie nowego standardu).
Zabudowa instalacji kondycjonowania spalin pozwoliła na rozwiązanie wszystkich wspomnianych wyżej
problemów stosunkowo niewielkim kosztem. Poniżej przedstawiono wykres pokazujący efekty włączenia
instalacji kondycjonowania spalin.
Wykres (Rys. 10) pokazuje przebieg rozruchu bloku. Po osiągnięciu pełnej mocy instalacja
kondycjonowania spalin nie była jeszcze gotowa do załączenia (trwało wygrzewanie instalacji). Z uwagi na
wysokie stężenie pyłu na wlocie do absorbera (sięgające 150 mg/Nm3) niezbędne było obniżenie mocy bloku
celem niedopuszczenia do zaklejenia się podgrzewacza regeneracyjnego spalin. Niezwłocznie po osiągnięciu
gotowości instalacji kondycjonowania spalin do uruchomienia załączono ją i w krótkim czasie emisja pyłu spadła
o ponad 50% i utrzymała się w dopuszczalnych granicach również po osiągnięciu przez blok pełnej mocy. Należy
tu dodać, że przy prawidłowym postępowaniu użytkownika instalacja kondycjonowania może zostać włączona do
ruchu natychmiast po załączeniu elektrofiltru.
Rys. 10 Stężenia pyłu podczas rozruchu bloku 350 MW z instalacją mokrego odsiarczania i instalacją kondycjonowania spalin
Wrzesień 2008
9
6.5.2
Blok 300MW należącej do koncernu STEAG Elektrowni Herne.
Zabudowany na bloku kocioł Bensona o wydajności cieplnej 805MWTh miał kilkukrotnie przebudowywane
paleniska z uwagi na zmianę gatunku spalanego węgla. Specyfika paleniska (ciekłe odprowadzanie żużla)
powoduje, że pył wychwytywany przez elektrofiltry jest szczególnie drobnoziarnisty, co dodatkowo zmniejsza
skuteczność elektrofiltru.
Kocioł posiada mokrą instalację odsiarczania. Obecnie spalane paliwo (w całości importowane po
zamknięciu w 2002r. kopani w Niemczech) powoduje emisję pyłu za elektrofiltrami (na wlocie do IOS) rzędu
200-500mg/Nm3 mimo zastosowania szeregu metod ograniczających emisję (rozbudowa EF, zastosowania
sterowania impulsowego stosowanie mieszanek węgla o zwiększonej zawartości siarki). Zmierzona rezystywność
pyłu wynosi rzędu 3.1013Ωcm.
Istniejąca sytuacja powodowała dwa poważne problemy związane z eksploatacją instalacji mokrego
odsiarczania:
¾ Stopień białości gipsu był rzędu 70%, często poniżej granicy przydatności do sprzedaży,
wynoszącej w Niemczech 72%;
¾ Występowało przyspieszone zanieczyszczenie instalacji odsiarczania popiołem, co średnio co 5
tygodni powodowało konieczność odstawienia instalacji do czyszczenia.
W roku 2004 właściciel elektrowni zdecydował się przeprowadzić próby instalacji kondycjonowania spalin.
Rysunki 11 i 12 przedstawiają zależność stężenia pyłu (przedstawionego w postaci ekstynkcji) od
obciążeń kotła przy pracy kotła bez i z kondycjonowaniem spalin.
Rys. 11 Zależność ekstynkcji(stężenia pyłu) od obciążenia kotła przy pracy bez kondycjonowania
Rys. 12 Zależność ekstynkcji(stężenia pyłu) od obciążenia kotła przy pracy z kondycjonowaniem
Wrzesień 2008
10
Na rys. 13 pokazano nałożone na siebie przebiegi stężenia pyłu za elektrofiltrem zarejestrowane w ciągu
dwóch dni pracy w porównywalnych warunkach – pierwszego dnia (24.06.2004r.) instalacja kondycjonowania
jeszcze nie pracowała, a drugiego (01.07.2004r.) była po raz pierwszy załączona. Różnica stężeń jest znacząca.
W dalszej części prób dokonano optymalizacji pracy instalacji i skuteczność kondycjonowania jeszcze wzrosła.
Rys. 13 Porównanie przebiegów stężeń pyłu przed rozpoczęciem (krzywa ohne) i w początkowej fazie kondycjonowania (krzywa mit)
Próby instalacji kondycjonowania spalin w lecie 2004r. zakończyły się następującymi rezultatami:
¾ Stężenia pyłu za elektrofiltrami (na wlocie do IOS) spadły z 200-500 mg/Nm3 do ok. 30 mg/Nm3,
a na wlocie do komina – z ponad 20 mg/Nm3 do poniżej 5 mg/Nm3
¾ Elektrody elektrofiltru uległy samooczyszczeniu
¾ Białość gipsu wzrosła z ok. 70% do prawie 90%
¾ Od chwili rozpoczęcia pracy instalacji kondycjonowania (przez ponad rok) nie było ani razu
potrzeby odstawienia IOS do czyszczenia
¾ Nie zaobserwowano żadnych zmian we własnościach popiołu i jego przydatności do sprzedania
¾ Nie zaobserwowano żadnych śladów korozji
Na podstawie pozytywnych doświadczeń zdecydowano o zakupie instalacji kondycjonowania spalin i jej
ciągłej pracy.
7. ASPEKT EKONOMICZNY ZASTOSOWANIA KONDYCJONOWANIA SPALIN
JAKO ALTERNATYWY DLA WYMIANY ELEKTROFILTRU
Ocena opłacalności zabudowy instalacji kondycjonowania spalin jako alternatywy dla głębokiej
modernizacji bądź wymiany elektrofiltru na nowy (lub na filtr workowy) nie sprowadza się do prostego
porównania kosztów inwestycyjnych. Należy wziąć pod uwagę cały szereg czynników, jak m.in.:
1. Stan istniejącego elektrofiltru: optymalnym przykładem na korzyść wyboru kondycjonowania spalin jest
posiadanie elektrofiltru w dobrym stanie technicznym, ale za małego dla skutecznego wychwycenia
wysokorezystywnego pyłu; w takim przypadku koszt inwestycyjny sprowadza się do zakupu instalacji
kondycjonowania spalin z niezbędnymi urządzeniami pomiarowymi; w przypadku natomiast złego stanu
technicznego elektrofiltru kondycjonowania spalin zapewni wprawdzie dramatyczną poprawę skuteczności
odpylania, ale nie pozwoli uniknąć (a co najwyżej opóźnić) modernizacji odtworzeniowej elektrofiltru.
2. Możliwości techniczne powiększenia gabarytu elektrofiltru: w przypadku zwłaszcza starszych obiektów
energetycznych możliwości powiększenia gabarytów elektrofiltru są ograniczone – w takim przypadku
modernizacja elektrofiltru z zachowaniem dotychczasowych gabarytów oraz wspomaganie kondycjonowaniem
mogą być rozwiązaniem optymalnym.
3. Przewidywany czas pracy kotła do chwili jego definitywnego wyłączenia z eksploatacji: jeżeli czas ten
jest stosunkowo krótki (np. z powodu szczytowego reżimu pracy kotła) rozwiązanie w postaci kondycjonowania
spalin może okazać się korzystniejsze, ponieważ instalacja może być później przeniesiona w inne miejsce lub
odsprzedana. Określając nakłady inwestycyjne na zakup instalacji kondycjonowania spalin należy brać pod
uwagę, że mogą one być też przedmiotem leasingu, a ponadto dostępne są tańsze, używane instalacje z
gwarancją producenta, co w zdecydowany sposób zwiększa atrakcyjność ekonomiczną tego rozwiązania.
Wrzesień 2008
11
4. Wielkość źródła emisji: jeszcze niedawno obowiązywała zasada, że koszt instalacji kondycjonowania
spalin w niewielkim zaledwie stopniu zależał od jej wielkości, opłacalność kondycjonowania jako alternatywy dla
nowego elektrofiltru rosła wraz z wielkością obiektu. Odpowiadając na rosnące zainteresowanie ze strony
użytkowników kotłów o niewielkiej wydajności Pentol opracował specjalną wersję instalacji dedykowaną dla
małych obiektów. Pierwsze 3 instalacje tego typu uruchomiono już we Francji. Szacuje się, że dzięki znacznie
niższej cenie opłacalne będzie instalowanie kondycjonowania spalin na mniejszych kotłach wyposażonych w
elektrofiltry – w warunkach polskich dotyczy to kotłów parowych o wydajności 70t/h i mniejszych (nawet tych o
wydajności ok. 30t/h).
5. Pilność sprawy: modernizacja, a tym bardziej budowa nowego elektrofiltru wymaga kilkumiesięcznego
wyłączenia kotła z eksploatacji dokonywanego zazwyczaj w korelacji z innymi robotami modernizacyjnymi bądź
remontowymi. Zabudowa instalacji kondycjonowania spalin może być prowadzona przy pracującym kotle (jedynie
wspawanie dysz dawkujących SO3 wymaga bardzo krótkiego postoju). Ponadto czas od złożenia zamówienia do
uruchomienia instalacji kondycjonowania może, w razie konieczności zamknąć się w czterech miesiącach –
prace na elektrofiltrze wymagają natomiast przygotowania i łączny czas realizacji jest znacznie dłuższy.
W rachunku ekonomicznym nie można pomijać również kosztów eksploatacji instalacji, które w zależności
od typu instalacji (zasilanej SO2 czy siarką, a w przypadku siarki istotne jest czy jest ona dostarczana w postaci
płynnej czy granulowanej). Szczegółowy rachunek wykonany przez jednego z polskich użytkowników instalacji
kondycjonowania wskazuje, że przy założeniu, iż utrzymanie instalacji powierzono serwisowi producenta koszty
eksploatacji wyniosą (w odniesieniu do tony spalonego węgla) w zależności od zastosowanego surowca:
Tab. 3 Wskaźnikowe koszty eksploatacji instalacji kondycjonowania spalin
Surowiec
Koszt surowca [PLN/t] Koszt mediów* [PLN/t] Koszt utrzymania [PLN/t] Razem [PLN/t]
Siarka płynna
0,015
0,045
0,02
0,08
SO2
0,16
0,11
0,02
0,29
*energia elektryczna, para
Należy dodać, że oferowane przez niektórych producentów instalacje zasilane siarką granulowaną są
znacznie droższe w eksploatacji niż siarką płynną – z uwagi na wyższy koszt surowca oraz znacznie wyższe
nakłady eksploatacyjne związane z wyładunkiem siarki i utrzymaniem instalacji.
Na podstawie przybliżonych szacunków należy przyjąć, że w przypadku instalacji zasilanych płynną siarką
wzrost kosztów surowca z nawiązką rekompensuje zysk na zmniejszonych opłatach za emisje pyłu (nie mówiąc o
karach, które są dziesięciokrotnie wyższe).
W przypadku instalacji zasilanych SO2 koszt surowca jest ponad dziesięciokrotnie wyższy, dlatego
użytkownicy tych instalacji stosują dawki niezbędne dla uniknięcia płacenia kar.
W konsekwencji należy stwierdzić, że koszty optymalnie dobranej i właściwie eksploatowanej instalacji
kondycjonowania spalin są znikome w stosunku do korzyści osiągniętych dzięki obniżeniu emisji pyłu.
8.
KONDYCJONOWANIE SPALIN W KRAJACH UNII EUROPEJSKIEJ
Pierwsze przemysłowe instalacje kondycjonowania spalin pojawiły się w USA ok. 30 lat temu, a kilka lat
później, na początku lat osiemdziesiątych w Europie. Pentol jako licencjobiorca amerykańskiej firmy Wahlco
zainstalował w Unii Europejskiej w ciągu ostatnich 20 lat ponad 90 instalacji, z czego 19 od roku 2003 do chwili
obecnej. Szczegóły podaje poniższe zestawienie (nie obejmuje ono instalacji montowanych na czas prób lub na
ograniczony okres).
Tab. 4 Instalacje kondycjonowania spalin Pentolu w Europie uruchomione do końca roku 2007
Kraj
Niemcy
Belgia
Francja
Wielka Brytania
Hiszpania
Polska
Ilość instalacji
21
16
11
39
3
13
Wrzesień 2008
12
Stosunek do instalacji kondycjonowania spalin różni się znacznie w zależności od kraju i właściciela
elektrowni.
Należy pamiętać, że w krajach Unii Europejskiej (a obecnie i w naszym kraju) przepisy narzucają zupełnie
inne niż w Polsce jeszcze przed kilku laty podejście do przekroczeń emisji. Dopuszczalne jest przekroczenie
standardu emisyjnego w ściśle określonych warunkach i ramach czasowych i w sytuacji braku możliwości
dotrzymania norm emisji obiekt bezwzględnie musi być odstawiony – płacenie kary przez przedsiębiorstwo w
ogóle nie wchodzi w rachubę jako rozwiązanie zastępcze. W Polsce przez lata „opłacało się” przekraczać emisję
ze świadomością, że można było uniknąć zarejestrowania przekroczenia. W najgorszym przypadku można było
płacić kary, co i tak było tańsze niż kosztowne inwestycje w instalacje do redukcji emisji. Filozofia legislacji Unii
Europejskiej skutkuje tym, że np. w Niemczech instalacje kondycjonowania spalin są często montowane po to,
aby redukować emisję pyłu w sytuacjach awaryjnych lub przez krótkie okresy pracy z mocą maksymalną.
Uniknięcie konieczności odstawienia kotła w przypadku zaistnienia przekroczenia uzasadnia ekonomicznie
zakup instalacji.
Wielka Brytania i Belgia są przykładami państw, w których instalacje kondycjonowania spalin przyjęto jako
standardowe rozwiązanie w chwili, gdy zaostrzone normy emisji wymagały podjęcia działań technicznych i
rachunek ekonomiczny wskazał kondycjonowania spalin jako rozwiązanie optymalne. W przypadku Wielkiej
Brytanii kondycjonowaniem spalin objęto 39 bloków energetycznych 200-600 MW o łącznej mocy 17.200 MW.
Z kolei we Francji EDF wiele lat temu zdecydowała na podstawie negatywnych doświadczeń z instalacjami
kondycjonowania dostarczonymi przez niekompetentnego producenta o zaniechaniu stosowania tej technologii.
W ostatnich latach (m. in. na podstawie pozytywnych doświadczeń z eksploatacji instalacji w należącej do
francuskiego koncernu EC Kraków) EdF zdecydowanie zmienił swoje podejście do idei kondycjonowania spalin.
W roku 2004 Pentol uruchomił instalację na nowo wybudowanym bloku 600MW e Elektrowni Le Havre, gdzie
instalacja kondycjonowania spalin została przewidziana w projekcie inwestycji, dzięki czemu można było
oszczędzić znaczną sumę, instalując mniejszy elektrofiltr. Obecnie we Francji pracują 3 instalacje, ale
spodziewane jest zamówienie kolejnych 11 instalacji.
O ile prawdą jest, że większość instalacji kondycjonowania spalin w Europie była budowana kilkanaście lat
temu w odpowiedzi na zaostrzenie norm emisji, jednak również w ostatnich latach jest zapotrzebowanie na
kolejne instalacje. Jedynie w latach 2003-2005 ilość instalacji w Unii Europejskiej wzrosła o 9 – wszystkie na
dużych blokach energetycznych o mocy 300-600MW.
9.
PODSUMOWANIE
Kondycjonowanie spalin może również w warunkach polskich być uzasadnionym ekonomicznie
rozwiązaniem redukcji emisji pyłu w istniejących obiektach energetycznych, a przystąpienie Polski do Unii
Europejskiej nie stanowi w tej mierze żadnych utrudnień – wręcz przeciwnie, likwidacja tolerancji dla
przekroczeń standardów emisji powinna zwiększyć motywację do inwestowania w urządzenia do redukcji emisji.
Wybór optymalnego rozwiązania będzie uwarunkowany względami ekonomicznymi.
PIŚMIENNICTWO CYTOWANE
[1] Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 13 czerwca 2003r. w sprawie wymagań w zakresie prowadzenia
pomiarów wielkości emisji dla instalacji spalania paliw (Dz. U. Nr 110, poz. 1057)
[2] Dyrektywa 2001/80/WE z dnia 23.10.2001
[3] DAŃKO J., KOZERA J. (EC Kraków S.A.): Kondycjonowanie spalin w Elektrociepłowni Kraków S.A. 1994
[4] JAMIOŁKOWSKI W. (EC Siekierki): Wpływ kondycjonowania spalin trójtlenkiem siarki na wartość handlową popiołu
1996
[5] KOZERA J. (EC Kraków S.A.): Wpływ kondycjonowania spalin przy pomocy gazowego SO3 na właściwości
fizykochemiczne popiołów pod kątem ich wykorzystania w przemyśle ceramicznym i budowlanym 1996
[6] MAZUR M. (AGH), Żurek B. (Huta Katowice S.A.): Badania nad zastosowaniem kondycjonowania spalin do
obniżenia emisji pyłu z Huty Katowice S.A. w Dąbrowie Górniczej 1992
Wrzesień 2008