odazotowanie spalin z kotłów energetycznych

JÓZEF KUROPKA
Instytut InŜynierii Ochrony Środowiska Politechniki Wrocławskiej
ODAZOTOWANIE SPALIN
Z KOTŁÓW ENERGETYCZNYCH
XIII International Conference AIR & HEAT 2011 WATER & ENERGY
STRESZCZENIE
Omówiono metody odazotowania spalin z kotłów energetycznych oraz wskazano na moŜliwość jednoczesnego usuwania tlenków azotu i dwutlenku siarki w suchych i półsuchych instalacjach odsiarczania spalin. Przedstawiono
wyniki badań procesu utleniania NO do NO2, a takŜe N2O3 i N2O5 w spalinach. Jako utleniacz stosowano roztwór podchlorynu sodowego lub roztworu nadtlenku wodoru oraz ozonu w fazie gazowej w obecności pyłu
wodorotlenku wapniowego. Określono skuteczność usuwania NO i SO2 ze spalin.
WYNIKI BADAŃ
WPROWADZENIE
Przewiduje się, Ŝe zgodnie z dyrektywą 2010/75/UE w Polsce po roku 2016 stęŜenie tlenków
azotu w spalinach, emitowanych z kotłów energetycznych o mocy powyŜej 100 MWe nie będzie
mogło przekraczać 200 mgNO2/m3 n. Takie stęŜenie tlenków azotu obowiązuje po spalarni odpadów.
W warunkach krajowych proces jednoczesnego odsiarczania i odazotowania spalin z kotłów
energetycznych moŜna będzie z powodzeniem realizować wykorzystując suche i półsuche metody
odsiarczania spalin, które umoŜliwiają spełnienie wymogów standardów emisyjnych dwutlenku
siarki, tlenków azotu i innych zanieczyszczeń, przy najniŜszych kosztach inwestycyjnych i
eksploatacyjnych.
ODSIARCZANIE SPALIN
Poszukiwania prostego i taniego sposobu ograniczania emisji SO2 doprowadziły do wynalezienia
najprostszego schematu usuwania SO2 ze spalin. Schemat ten jest oparty na dwóch załoŜeniach:
wprowadzić aktywny suchy sorbent do płynących w kierunku odpylacza spalin w taki sposób, aby
uniknąć blokowania kanału spalin i w znacznym stopniu wykorzystać pojemność sorpcyjną sorbentu
(50 do 80%),
usunąć ze spalin produkty reakcji SO2 z sorbentem i nie przereagowany sorbent w wysoce
sprawnym odpylaczu; korzystne byłoby takie zwiększenie czasu kontaktu nie przereagowanego
sorbentu z SO2 w odpylaczu, aby mogła nastąpić dalsza sorpcja SO2 np. przy przepływie przez
warstwę produktów i sorbentów tworzącą się na tkaninie filtracyjnej.
Próby realizacji omawianego schematu pozwoliły na pełne poznanie procesu odsiarczania spalin i
określenie niezbędnych warunków technicznych i ekonomicznych do zastosowania w praktyce.
ODAZOTOWANIE SPALIN
Problem podniesienia stopnia utleniania tlenków azotu usiłowano rozwiązać juŜ w latach 70.i 80.
przez absorpcję z równoczesnym utlenieniem tlenku azotu związkami łatwo oddającymi tlen w fazie
ciekłej. Jako przydatne do tych celów brano m. in. związki o silnie utleniających właściwościach,
jak: podchloryn sodowy, chloryn sodowy, podchloryn wapniowy, nadmanganian potasowy i
dwuchromian potasowy, sole Ŝelaza, miedzi, niklu i kobaltu oraz woda utleniona. Badania autora
doprowadziły do opracowania technologii usuwania tlenków azotu z przemysłowych gazów
odlotowych, natomiast dalej pozostaje problem intensyfikacji jednoczesnego usuwania tlenków
azotu i dwutlenku siarki ze spalin kotłów energetycznych.
Obecnie, w związku z koniecznością znalezienia tanich i efektywnych metod ograniczania emisji
tlenków azotu do poziomu 200 mg NO2/m3n, wraca się do badań nad utlenianiem NO w fazie
gazowej i łącznej sorpcji NO2 i SO2 w zawiesinach lub na suchych alkalicznych sorbentach.
Dodatkowym impulsem do takich badań jest konieczność ograniczenia emisji tlenków azotu ze
spalarni odpadów do poziomu 200 mg NO2/m3n, przy czym ze względu na zawartość chlorowodoru
w tych spalinach (do 1000 mg/m3 n) nie ma przeszkód w stosowaniu utleniaczy chlorowych.
Wyniki doświadczeń na instalacji pilotowej z iniekcją roztworu podchlorynu sodowego i pyłu wodorotlenku
wapniowego przedstawiono w tabeli 1, natomiast w tabeli 2 - wyniki badań z zastosowaniem roztworu nadtlenku
wodoru, a w tabeli 3 - wyniki badań z zastosowaniem ozonu w fazie gazowej, jako utleniacza tlenku azotu.
Tabela 1. StęŜenia dwutlenku siarki i tlenków azotu na wlocie i wylocie z instalacji oraz skuteczność
ich usuwania, przy iniekcji roztworu utleniacza NaOCl do spalin o temperaturze 338K w przeliczeniu
na 6%O2.
Dwutlenek siarki
mg/m3 n
Badania wykonano na spalinach rzeczywistych w instalacji pilotowej symulującej warunki
zbliŜone do warunków panujących w klasycznych układach suchego lub półsuchego odsiarczania
spalin z filtrem tkaninowym.
Celem badań było określenie stopnia usuwania NO ze spalin kotła OP-430 w procesie łącznego
usuwania SO2 i NOx za pomocą jednoczesnej iniekcji roztworu podchlorynu podchlorynu sodowego
(NaOCl) lub roztworu nadtlenku wodoru jako utleniacza i pyłu wapna hydratyzowanego (Ca(OH)2),
do reaktora przed filtrem tkaninowym. Wykonywano jednoczesne pomiary skuteczności usuwania
NOx i SO2 ze spalin.
Parametry badań:
strumień spalin
stęŜenie SO2 w spalinach
stęŜenia NO w spalinach
strumień NaOCl
strumień H2O2
strumień O3
strumień roztworu utleniacza
strumień Ca(OH)2
temperatura spalin podczas iniekcji
= 500 m3n/h ± 20 m3n/h,
= 1580 mg/m3 n ± 20 mg/m3 n,
= 510 mg/m3 n ± 10mg/m3 n,
= 405 g/h ± 10 g/h
= 185 g/h ± 5 g/h
= 261 g/h ± 20 g/h
=
7,3 dm3/h
= 2000 g/h ±100 g/h
= 338 K
Do nawilŜacza instalacji badawczej wprowadzano roztwór zawierającego zawsze taką samą ilość
utleniacza (stosunek sorbentu do stęŜenia SO2 i NO w spalinach był zawsze stały, a zmieniano tylko
stęŜenie roztworu, czyli ilość wody, aby zapewnić zakładaną zmianę temperatury spalin
oczyszczonych). Do kolumny natomiast dozownikiem wprowadzano pył Ca(OH)2 w ilości 2,0 kg/h.
Po ustabilizowaniu temperatury spalin na wlocie i wylocie z instalacji włączono analizatory
ciągłego pomiaru SO2, NO i O2 w spalinach surowych i oczyszczonych. Zaczynano zawsze od
podania spalin oczyszczonych, a po 10 minutach przełączano na spaliny surowe. Eksperyment w ten
sposób prowadzono przez 8 godzin, uśredniając wyniki po 1 godzinie.
η NOx
%
Tlenki azotu
mg/m3 n
wlot
wylot
1362
118
91,3
507
195
61,5
1584
131
91,7
504
193
61,7
wlot
wylot
1654
128
92,3
513
192
62,6
1596
122
92,4
501
187
62,7
1509
119
92,1
517
185
64,2
1602
117
92,7
492
176
64,2
1647
115
93,0
511
178
65,2
1672
113
93,2
506
171
66,2
92,4 azotu na wlocieWartość
63,5 ich
Tabela 2.Wartość
StęŜeniaśrednia
dwutlenku siarki i tlenków
i wylocieśrednia
z instalacji oraz skuteczność
usuwania, przy iniekcji roztworu utleniacza H2O2 do spalin o temperaturze 338K w przeliczeniu na
6%O2.
Dwutlenek siarki
mg/m3 n
η SO2
%
η NOx
%
Tlenki azotu
mg/m3 n
wlot
wylot
wlot
wylot
1821
234
87,1
505
237
53,1
1485
187
87,4
504
226
55,2
1635
195
88,1
476
217
54,4
1552
185
88,1
506
234
53,8
1704
192
88,7
502
221
56,0
1612
184
88,6
512
217
57,6
1535
177
88,5
501
224
55,3
1387
163
88,2
492
216
56,1
Wartość średnia
WARUNKI DOŚWIADCZEŃ
η SO2
%
88,1
Wartość średnia
55,2
Tabela 3. StęŜenia dwutlenku siarki i tlenków azotu na wlocie i wylocie z instalacji oraz skuteczność ich
usuwania, przy iniekcji O3 w fazie gazowej do spalin o temperaturze 338K w przeliczeniu na 6%O2.
Dwutlenek siarki
mg/m3 n
η SO2
%
η NOx
%
Tlenki azotu
mg/m3 n
wlot
wylot
wlot
wylot
1461
185
87,3
547
248
54,7
1371
176
87,2
546
232
57,5
1481
182
87,7
552
239
56,7
Wartość średnia
87,4
Wartość średnia
56,3
PODSUMOWANIE
Na podstawie uzyskanych wyników badań moŜna stwierdzić, Ŝe spełnienie wymogów standardów emisyjnych
dwutlenku siarki i tlenków azotu w spalinach na poziomie 200 mg/m3 n jest moŜliwe:
poprzez iniekcję mieszaniny utleniacza i sorbentu do spalin w układach suchego lub półsuchego odsiarczania spalin,
przy stosunkowo nieduŜych nakładach inwestycyjnych (m.in. przez dobudowanie układu iniekcji utleniacza),
poprzez korygowane strumieni utleniacza i sorbentu w trakcie pracy instalacji na podstawie aktualnych stęŜeń SO2 i
NO w spalinach oczyszczonych, a takŜe ilości recyrkulowanego odpadu z filtra tkaninowego.
Zastosowane substancje utleniające okazały się ponadto bardzo skutecznymi utleniaczami w stosunku do rtęci
metalicznej.