Způsob omezování škodlivin

8.4.2.10

Způsob omezování škodlivin

Ing. Vítězslav Šťastný, CSc. a kolektiv

Technická opatření pro snížení škodlivin u zdrojů emisí mohou být použita buď na začátku (na vstupu), v průběhu nebo na konci (výstupu) technologického procesu. Z opatření na vstupu lze v energetice použít tato opatření: míchání paliv, úpravu vlastností paliva (zejména úpravu odstraněním částí hlušin, dodávkou uhlí s aditivovanou produkcí vápenným hydrátem, zplyňováním uhlí). V průběhu procesu jde o využití fluidní techniky spalování s odsířením a opatření k omezení emisí oxidů dusíku. Na výstupu technologického procesu, po spalovacím procesu se realizuje odlučování tuhých zbytků po spalování, popílku z plynných spalin, odsiřování spalin, případně zachycování NO_x.

 NahoruOdsiřování spalin

Podstatou odsíření spalin je chemické vázání oxidu siřičitého SO₂ vzniklého spálením síry v palivu na tuhý síran vápenatý CaSO₄ (sádra), což platí pouze pro některé metody. Ke snížení oxidů síry ve spalinách dochází před jejich vypuštěním do ovzduší.

Odsiřovací procesy se rozdělují podle způsobu zachycování SO₂ na regenerativní (sorpční látka se po regeneraci vrací do procesu) a na nevratné (mezi sorpční látkou a zachyceným SO₂ dochází k nevratné chemické změně). Výhodou regenerativních procesů je jejich produkt, kterým je síra ve formě dále využitelné (bezodpadová technologie). Nevýhodou těchto procesů je větší složitost technologie, vyšší investiční a provozní náklady. Dosud největší uplatnění našly jednoduché a provozně spolehlivé neregenerativní postupy (nevratné), využívající vápno nebo vápenec.

 NahoruOdsiřovací procesy

Odsiřovací procesy podle fáze, při které se zachycuje oxid siřičitý se rozdělují na mokré, suché a polosuché. Další členění může být provedeno podle použité aktivní látky a vzniklého produktu. Uvádí se, že celkový počet realizovaných a v různých stadiích vývoje se nacházejících postupů odsiřování spalin ve světě je okolo 200.

V obr. 1 je uveden přehled metod odsiřování použitelných při a po spalování.

Obr. 1 Přehled odsiřovacích metod

 NahoruSuché aditivní metody

Suché postupy se vyznačují tím, že odsiřovací reakce probíhají bez přítomnosti kapalných roztoků. Spaliny se neochlazují pod kritickou teplotu, pod kterou probíhají koroze. Nejčastěji se používá technologie odsiřování spalin jemně mletým vápencem v kotlích a odsiřování spalin ve fluidní vrstvě.

Při prvé metodě, založené na souproudé reakci CaO a SO₂ je potřebná vysoká jemnost mletí vápence. Nedostatkem této metody je nízká účinnost odsiřování spalin při vysoké spotřebě aditiva a problémy s využitím odpadu. Při této metodě se jako aditiv používá zejména CaO, Ca (OH)₂, CaCO₃, Mg (OH)₂. Aditivum se přidává do paliva. Příklad suché aditivní metody je v obr. 2, obr. 3.

Obr. 2 Suchá aditivní metoda pro hnědé uhlí

V obr. 2 je 1 doprava vápence, 2 zásobník vápence, 3 zásobník uhlí, 4 válcový rošt, 5 drtič, 6 zásobníky uhlí kotlů, 7 přídavná výhřevná plocha, 8 odlučovák prachu, 9 spalinový ventilátor, 10 komín.

Obr. 3 Suchá aditivní metoda

Účinnost odsíření je výrazně závislá na teplotě, existuje oblast teplot, při které je odsíření nejúčinnější. Příklad je uveden v obr. 4.

Obr. 4 Účinnost odsiřování v závislosti na teplotě

Z obr. 4 je patrné, že teplotní oblast 800 až 1100 °C je pro odsíření nejpříznivější a že Ca (OH)₂ je účinnější aditivum než CaO.

Prakticky se volí poměr Ca/S kolem hodnoty 2. V obvyklých případech použití českých paliv vychází podle obsahu síry v palivu množství přidávaného vápence 10 až 20 % hmotnosti paliva (za předpokladu, že palivo žádný CaO neobsahuje).

 NahoruÚčinnost odsíření

Metoda suchého aditivního odsíření neumožňuje dosažení vyšších účinností odsíření, jak vyplývá z tabulky 1, kde jsou uvedeny orientační hodnoty odsíření při různých molových poměrech Ca / S.

Tab. 1 Účinnost odsíření při různých molových poměrech

U kotlů spalujících černé uhlí s výhřevností 14 až cca 23 MJ/kg se dosahuje teplot v plameni vyšších než 1300 °C, což jsou již teploty nepříznivé pro sulfataci. Proto nelze v takovýchto případech přidávat aditivum do paliva, jak je to možné při spalování hnědého uhlí, ale musí se přidávat do oblastí s nižší teplotou spalin. Z těchto důvodů se během vývoje a praktických zkušeností vyvinuly dvě rozdílné metody aditivního odsíření, pro hnědé a pro černé uhlí (např. speciální hořáky).

 NahoruOdsiřování spalin ve fluidní vrstvě

Odsiřování ve fluidní (vířivé) vrstvě je heterogenní pochod, při němž jsou tuhé částice nadnášeny vertikálně proudícím plynem. Rychlost plynu ve vířivé vrstvě je volena tak, že většina částic je nadnášena, pouze nejmenší částice jsou plynem vynášeny z vrstvy.

Odsíření ve fluidní vrstvě lze realizovat dvojím způsobem:

1. ve fluidním ohništi, přičemž spalování paliva a odsíření probíhají současně,

2. ve fluidním reaktoru zařazeném za klasický parní kotel.

Řešení ad b) je preferováno tam, kde se požaduje dodatečné snížení emisí SO₂ u stávajících kotlů. U tohoto způsobu se jako sorbent používá Ca (OH)₂ ve formě jemného prášku, který je dávkován do reaktoru (absorbéru). Ke zlepšení odlučování škodlivin se do reaktoru dávkuje voda.

Příklad odsiřování ad b) s fluidním reaktorem je na obr. 5.

Obr. 5 Suché odsiřování plynných škodlivin v cirkulující vířivé vrstvě

Aplikace tohoto principu odsiřování pro kotle má řadu výhod: potřeba poměrně malé stavební plochy, obvykle není potřeba opětný ohřev spalin, účinnost odsiřování může být > 95 %, dochází k odstranění SO₃, konečný produkt je v suchém stavu.

Praktická řešení odsiřování ve fluidních ohništích dle ad a) prokázala, že při přímém odsíření ve fluidním kotli probíhají ve vířivé vrstvě heterogenní chemické reakce podstatně intenzivněji než např. u práškových ohnišť. To umožňuje zachytit toxické a jiné škodliviny přímo ve vířivé vrstvě přidáním vhodného aditiva (nejčastěji se používá vápenec).

 NahoruMokrá vápencová vypírka

V současné době je pro velké kotle nejrozšířenější proces mokré vápencové vypírky. Odsíření je zajištěno vypíráním plynného oxidu siřičitého vápencovou suspenzí v absorbéru (skrubru) v kyselém prostředí při pH 3,5 až 5,0. Za těchto podmínek vzniká roztok dobře rozpustného hydrogen siřičitanu vápenatého Ca (HSO₃)2. Proces odsiřování můžeme vyjádřit chemickou rovnicí

2 SO₂ + CaCO₃ + H₂ O = Ca (HSO₃) ₂ + CO₂

Hydrogen siřičitan vápenatý vzniklý při vypírání SO₂ oxiduje na dihydrát síranu vápenatého – energosádrovec, použitelný je ve formě briket při výrobě cementu. Po částečné dehydrataci kalcinací lze získat i štukatérskou sádru, vhodnou pro výrobu sádrových deskových materiálů. K přednostem této metody kromě vysoké účinnosti odsíření (90 až 97 %) patří i odstranění dalších škodlivin, zejména kyseliny fluorovodíkové (70 až 95 %) a chlorovodíkové (90 %), popílku, oxidů dusíku (10 %) a stopových sloučenin těžkých kovů (až 95 %) i toxických sloučenin (např. oxidu arsenitého).

Příklad odsiřovacího zařízení s mokrou vápencovou vypírkou

Na obr. 6 je uveden příklad odsiřovacího zařízení s mokrou vápencovou vypírkou.

Obr. 6 Odsiřovací zařízení s mokrou vápencovou vypírkou

V obr. 6 je 1 elektrofiltr, 2 spalinový ventilátor, 3 tlumič hluku, 4 klapka spalin, 5 ohřívák pro opětné ohřátí spalin, 6 předřazený skrubr (pračka), 7 hlavní skrubr, 8 potrubí vstřiku vápenné suspenze, 9 oběhová čerpadla, 10 odlučovák kapek, 11 vzduchový ventilátor pro oxidaci, 12 ventilátor vyčištěných spalin, 13 komín, 14 silo vápence, 15 kulový mlýn vápence, 16 zásobník vápencové suspenze, 17 čerpadlo vápencové suspenze, 18 čerpadlo produktu odsíření, 19 hydrocyklon produktu odsíření, 20 vakuový filtr, zásobník přebytků, 22 hydrocyklon přebytku produkce, 23 zásobník filtrátu, 24 zásobník přídavné vody.

V hlavním skrubru (absorbér) probíhá odsiřování a vznik dihydrátu síranu vápenatého. Vápencová suspenze pro absorpci SO₂ se vstřikuje v pěti rovinách v protiproudu ke spalinám. Z hlavního skrubru je část suspenze kontinuálně odpouštěna a přiváděna do okruhu pro získání energosádrovce. Vyčištěné spaliny vystupují ze skrubru 7 přes odlučovák kapek a jsou spalinovým ventilátorem přes GAVO (výměník spaliny/spaliny) dopravovány do komína.

V nové výstavbě velkých uhelných elektrárenských bloků, při použití klasických práškových kotlů se používá odsíření spalin mokrou vápencovou vypírkou a výstup vyčištěných spalin je zaveden do chladicích věží. Citelné teplo spalin při jejich ochlazení před vstupem do odsiřovacího zařízení na požadovanou teplotu v absorbéru (cca 60 °C) se využije pro ohřev kondenzátu (odpadá výměník spaliny/spaliny).

 NahoruPolosuchá odsiřovací metoda

Princip polosuché odsiřovací metody (mokrosuchá) spočívá v rozprášení vodní suspenze sorbentu do proudu čištěných plynů. Dochází k reakci mezi vodní suspenzí a kyselými složkami spalin jako jsou SO₂, SO₃, HCL, HF. Jako sorbent se nejčastěji používá pálené vápno, hydroxid vápenatý Ca (OH)₂ nebo louh sodný NaOH. Teplem spalin se voda suspenze odpaří, takže produktem reakce je suchý prášek, který lze odstranit…