Z E S Z Y T Y N A U K O W E P O L IT E C H N IK I Ś L Ą S K IE J S eria: E N E R G E T Y K A z. 125
1995 N r kol. 1280
J e rz y B U Z E K
I n s t y t u t In ż y n ie rii C hem icznej P A N w G liw ica ch
D O BÓ R INSTALACJI ODSIARCZANIA SPALIN
I PREZENTACJA M OKREJ METODY WAPNIAKOWEJ
S tr e sz c z e n ie . P rzedstaw iono k ró tk o najw ażniejsze, typow e m etody odsiarczania sp a lin i podano k r y te r ia doboru in s ta la c ji odsiarczania dla k o n k re tn y c h w a ru n k ó w . Zaprezentow ano także badania dotyczące w a r ia n tu m okrej m etody w a p n ia ko w e j i dane ruchow e technicznej re a liz a c ji tego w a ria n tu .
SELEC TIO N OF FG D INSTALLATION AND PRESENTATIO N OF W ET LIM ESTONE METHOD OF DESULPH URIZATIO N
Sum m ary. The m ost im p o rta n t, ty p ic a l m ethods o f flu e gas desul
p h u riz a tio n (FG D ) w ere s h o rtly presented and th e c rite rio n s o f selec
tio n o f th e in s ta lla tio n s fo r specific users conditions w ere given. The paper also presents th e in v e s tig a tio n s concerning w e t lim estone m ethod o f d e s u lp h u riz a tio n and com piles th e d a ta on technical ex
a m in a tio n o f th e in s ta lla tio n .
AUSW AHL EIN ER ABGASENTSCHW EFELUNGSANLAGE UND PR Ä SE N TA TIO N D E S NÄßEN KALKSTEINVERFAHRENS
Z u sa m m en fa ssu n g . D ie w ic h tig s te n , typischen V e rfa h re n zu r A b
gasentschw efelung w u rd e n k u rz besprochen u n d die K rite rie n der A n lagena usw ahl fü r k o n k re te B edingungen angegeben. Es w u rd e n auch U n te rsu ch u n g e n des näßen K a lk s te in v e rfa h re n s p rä s e n tie rt u n d die B e trie b sp a ra m e te r e in e r technischen, a u f G ru n d dieser M ethode aus
gelegten Anlage vo rg e ste llt.
In w e s to w a n ie w in s ta la c je odsiarczania s p a lin w y n ik a zasadniczo z proste
go ra c h u n k u ekonomicznego: ko szty oczyszczania sp a lin p o w in n y być niższe n iż wysokość k a r ponoszonych z ty t u łu przekroczenia norm . W ra c h u n k u tym ,
170 Jerzy Buzek
prow adzonym przez inw estora, is to tn e znaczenie m a więc z jednej strony w artość dopuszczalnych e m isji S 0 2 i wysokość k a r za ich przekroczenie, a z d ru g ie j - dobór odpow iedniej in s ta la c ji odsiarczania, k tó ra pow inna gw aran
tow ać d o trzym a n ie ty c h norm , p rz y m o żliw ie n is k ic h sum arycznych kosztach odsiarczania.
W artość dopuszczalnych e m isji i wysokość k a r u stalane są centralnie i obow iązują w całym k ra ju , ale przeliczenia d la k o n k re tn y c h w a ru n k ó w dają ro zm a ite w y n ik i (je śli idzie o w ym aganą sprawność in s ta la c ji odsiarczającej) w zależności od te rm in u zabudowy k o tła , ja k o ś c i węgla, a także od stężenia zanieczyszczeń t ła w o kó ł ko m in a . Podstawowego więc znaczenia dla inw esto
ra n a b ie ra problem doboru odpowiedniej m etody odsiarczania, spośród w ielu m ożliw ych rozw iązań i dobrania takiego w a ria n tu , aby w a ru n e k wymaganej w danych w a ru n k a c h sprawności odsiarczania, p rz y n is k ic h kosztach, był spełniony.
K R Y T E R IA W Y B O R U M E T O D Y O D S IA R C Z A N IA S P A LIN
Podstawowe znaczenie m a k ry te riu m ekonomiczne, czyli koszt odsiarcza
nia , d e fin io w a n y ja k o sum aryczny koszt in w e s ty c y jn y i eksploatacyjny usu
nięcia 1 k g S 0 2 z gazu spalinowego.
K ry te riu m to m a c h a ra k te r u n iw e rs a ln y . Oznacza ono na p rzykła d , że je śli je d n a z in s ta la c ji je s t d w u k ro tn ie droższa in w e s ty c y jn ie i eksploatacyjnie od d ru g ie j, ale odsiarcza z trz y k ro tn ie wyższą sprawnością, to odsiarczanie tą droższą, ale spraw niejszą in s ta la c ją je s t tańsze. Is to tn e je s t rów nież w tym k ry te riu m stosowanie zawsze sum arycznych kosztów: in s ta la c ja ta n ia w bu
dowie może się bowiem okazać bardzo droga w eksploatacji, na p rz y k ła d ze w zględu na duże zużycie surowców, częste w y m ia n y zużywających się elemen
tów , czy tru d n o ści ruchow e i związane z ty m p rz e rw y w d z ia ła n iu i w zrost kar za przekroczenie n o rm em isji.
A n a liz a powyższego k ry te riu m prow adzi do jeszcze jednego, oczywistego w n io sku : najdroższe są instalacje, k tó re ła tw o się za tyka ją , w ym agają częst
szych przestojów konserw acyjnych lu b wręcz uleg a ją ca łko w ite m u unierucho
m ie n iu w s k u te k błędów obsługi lu b sterow ania autom atycznego - je ś li in s ta la cja m u si być szczególnie p recyzyjnie obsługiw ana. P rzy budowie takich, niepew nych w ru ch u , in s ta la c ji poniesiono bow iem ko szty inw estycyjne, a nie w y ła p u je ona S 0 2, lu b w yła p u je go znacznie m n ie j n iż założono.
W ka żd ym w ięc p rzy p a d k u szczegółowa a n a liza kosztowa in s ta la c ji odsiar
czania b yła b y najw łaściw szym sposobem doboru in s ta la c ji, p rz y czym analizę ta k ą pow inno się przeprow adzić d la w szystkich oferow anych m etod i rozwią
zań procesowych.
P rz y k ła d a n a liz y i o p ty m a liz a c ji kosztowej je d n e j, a rb itra ln ie wybranej m etody dla konkretneg o p rzyp a d ku odsiarczania gazów odlotowych podano w
Dobór instalacji odsiarczania spalin. 171
p ra c y [1]. Opracowano n a jp ie rw p e łn y m odel fizykochem iczny in s ta la c ji oraz uzupełn iono - w pom ia ra ch w ła sn ych - dane fizykochem iczne m odelu, a n a stę p n ie w oparciu o m odel sieci neuronow ej dokonano o p tym a liza cji in s ta la c ji d la założeń sprecyzowanych przez in w e sto ra . Podobną, skom plikow aną a n a liz ę należałoby oczywiście przeprow adzić d la in n y c h m ożliw ych w ty m p rz y p a d k u rozw iązań procesu odsiarczania, a następn ie w ybrać, ja k o opty
m a ln e , rozw iązanie, d la którego koszty, z uw zg lę d n ie n ie m o p ła t za ko rzysta n ie ze środowiska, b y ły b y najm niejsze.
Stosowanie k ry te riu m kosztów p rz y w yborze m etody odsiarczania d la ko n k re tn e g o obiektu je s t więc tru d n e i pracochłonne. W ym agałoby bowiem w yko n a n ia szczegółowych założeń procesowych i oceny kosztów in s ta la c ji dla k ilk u m etod i ich w a ria n tó w , a u zyska n y w y n ik , ze w zględu na oczywiste p rzyb liże n ie kosztów, b y łb y i ta k niepew ny.
Z a m ia s t ta k ie j, liczbowej a n a lizy, p rz y w yborze p ro w a d zi się porów nanie na bazie pewnych cząstkow ych k ry te rió w , k tó re w sum ie skła d a ją się na ogólne k r y te r iu m kosztów. O k ilk u spośród ty c h cząstkow ych k ry te rió w ju ż wspo
m n ia n o powyżej. N ajw ażniejsze z n ic h to: sprawność odsiarczania instalacji, w rażliw ość na zm ia n y obciążenia, orientacyjne koszty budowy, zużycie surow
ców, energii i innych m ateriałów, ilość i rodzaj zrzucanego odpadu, a wreszcie k r y te r ia szczególnie ważne: pew ność ruchu oraz prostota obsługi i sterowania instalacją. Tego rodzaju w s k a ź n ik a m i posłużono się w n in iejszej pracy p rzy ocenie metod.
N a le ż y jeszcze dodać, że ogólne k ry te riu m kosztów tru d n o w praw dzie stoso
w ać w odniesieniu do konkretnego, jeszcze n ie rozwiązanego przyp a d ku od
sia rcza n ia , m ożna n a to m ia s t posłużyć się n im w odniesie niu do ju ż p ra cu ją cych in s ta la c ji i do p r a k ty k i w d ra ż a n ia różnych m etod odsiarczania. Doświad
czenia ze stosowaniem różnych m etod i a n a liza kosztów odsiarczania w przo
d u ją cych kra ja ch d oprow ad ziły w ciągu 20 la t do sytuacji, w k tó re j jedne m e to d y są zdecydowanie bardziej po p u la rn e n iż inne. Z całą pewnością można s tw ie rd z ić , że te preferencje n ie k tó ry c h m etod w y n ik a ły z n is k ic h kosztów odsiarczania: w k ra ja c h ty c h k ry te riu m kosztowe je s t bow iem zawsze n ajw aż
niejsze.
N ie m a powodów przypuszczać, że m etody najlepsze gdzie in d zie j okażą się nieekonom iczne w w a ru n k a c h polskich. P opularność m etody za granicą uznać w ię c można za jedno z k ry te rió w doboru m etody odsiarczania s p a lin dla w a ru n k ó w polskich.
C H A R A K T E R Y S T Y K A P R Z Y D A T N O Ś C I W W A R U N K A C H P O L S K IC H PO D STAW O W YC H M E T O D O D S IA R C Z A N IA G AZÓ W
A b y zaproponowany tu ta j sposób postępow ania p rz y doborze m etody od
s ia rc z a n ia dla kon kre tn e g o p rz y p a d k u n ie b u d z ił w ą tp liw o ści, należało n a j
172 Jerzy Buzek
pierw scharakteryzow ać podstawowe m etody, choćby ze względu n a różne spotykane w litera tu rz e nazw y dla poszczególnych metod, oraz poddać kryty
cznej analizie możliwości ich powszechnego stosow ania. N ależy tu ta j zazna
czyć, że w pewnych specyficznych w aru n k ach (dla niektórych gazów odloto
wych w przem yśle chemicznym czy w m etalurgii) najtań sze mogą się okazać pewne nietypowe m etody odsiarczania, zużywające surowce odpadowe czy w ykorzystujące istniejącą ju ż a p a ra tu rę lub urządzenia; analiza możliwości stosow ania tak ich nietypowych m etod nie je s t przedm iotem niniejszych roz
w ażań.
Typowe m etody odsiarczania dzieli się n a m etody odpadow e i bezodpadowe.
Metody bezodpadowe prow adzą do w yodrębnienia, w trakcie odsiarczania, czystego S 0 2, który n astęp n ie sk rap la się łub przerab ia n a kw as siarkowy, czyli produkty handlowe. Takie m etody m ają sens tylko dla bardzo dużych obiektów, ja k bloki energetyczne dużej mocy, albo w specyficznych w arun
kach, np. jeśli istnieje n a miejscu już gotowa fabryka kw asu siarkowego.
M etody odpadowe dzieli się zasadniczo n a m eto d y suche, p ó łsu che i mokre.
Surowcem w tych m etodach, oprócz najpopularniejszych związków wapnia, mogą być związki sodu, m agnezu i potasu. W w arunkach polskich n a szerszą skalę wchodzą w rachubę jedynie związki w apnia, a więc albo zmielony produkt kopalny - kam ień w apienny (C aC 03), zwany wapniakiem , albo też wapno palone (CaO) lub gaszone (Ca(OH)2). M etody z zastosowaniem w apnia
k a nazyw ane są w a p n ia ko w ym i, m etody z zastosow aniem w apna — wapnowy- mi; nazw y te często bywają mylone lub przekręcane w opisach. Metody półsu
che opierają się praw ie zawsze n a wapnie palonym lub gaszonym, zaś metody suche i m okre zwykle n a w apniaku. W apno je s t kilkakrotnie droższe od w apniaka.
M etody suche ch arakteryzują się spraw nością odsiarczania w granicach 20 + 60%. Polegają one n a w dm uchiw aniu w apniaka do komory spalania lub w jej pobliże, gdzie następuje reakcja i pochłanianie S 0 2, z wytworzeniem siarczynu w apnia i siarczanu w apnia, wyłapywanych w procesie odpylania.
Stosunek stechiom etryczny w apnia (Ca) w surowcu do wyłapywanego S 0 2 wynosi w tych m etodach 1,5 + 3. Wyższe spraw ności (40%) są możliwe do uzyskania tylko przy dużym nadm iarze surowca, co powoduje wzrost kosztów eksploatacyjnych i w zrost ilości odpadu. W ym agane je s t także dobre wymie
szanie sorbentu ze strum ieniem spalin tu ż w pobliżu płom ienia o odpowied
niej tem p eraturze, co je s t praktycznie możliwe jedynie przy kotłach pyłowych;
w przypadku silnie zmiennego obciążenia kotła w aru nek dobrego wymiesza
n ia je s t w każdym przypadku tru d n y do spełnienia. Duże trudności w tych m etodach powoduje zabijanie się powierzchni w ym iany ciepła w kotle przez produkty reakcji i nieprzereagow any w apniak, są też kłopoty z odpylaniem.
Pomimo więc niskich kosztów inwestycyjnych w tych m etodach odsiarczania, są one stosowane dość rzadko, i to praktycznie jedynie dla dużych jednostek,
D o b ó r instalacji odsiarczania spalin. 173
o ustalonych p a ra m etrac h przepływowych. O ferta tych m etod n a naszym ry n k u j e s t niewielka - proponuje je zaledwie k ilk a firm krajowych.
Istn ieje w a ria n t m etody suchej, polegający n a naw ilżaniu m ieszaniny spa
lin z sorbentem w pewnej odległości od m iejsca w trysku sorbentu, w celu popraw y sprawności odsiarczania. Ten obiecujący sposób odsiarczania stosuje się n a razie wyłącznie do dużych kotłów pyłowych.
M e to d y p ółsuche w ykazują spraw ność w granicach 60 -*■ 80%, a w niektórych przypad k ach technologii zagranicznych - n aw et do 90%. W m etodach tych sto su je się rozpylanie, za pomocą szybkoobrotowych głowic, zaw iesiny w apna gaszonego do stru m ie n ia spalin przepływ ających przez a p a ra t reakcyjny. N a
stę p u je reakcja pochłaniania S 0 2 oraz odparow anie wody, a uzyskany odpad - m ieszanin ę siarczynu i siarczan u oraz w ęglanu w apnia - wyłapuje się w specjalnych filtrach workowych. Proces prow adzi się w tem p eratu rze ok.
80°C, wyższej o 20 -e 30 od p u n k tu rosy i zasadniczo w m etodach tych gazy nie w ym agają podgrzewu przed kom inem . Stechiom etryczny stosunek w apnia do usuw anego S 0 2 wynosi zwykle 1,2 + 1,6.
Aby uzyskać wyższe spraw ności w tych m etodach należy stosować znaczny n a d m ia r surowca, co zwiększa koszty i ilość odpadu. Zm niejszenie n ad m iaru surow ca jest możliwe poprzez zastosow anie zaw rotu odpadów, co grozi jed n ak przedw czesnym zużyciem kosztownych głowic rozpyłowych w skutek erozyjne
go oddziaływ ania wyłapywanego w procesie pyłu ze spalania.
M ożna też zwiększyć spraw ność poprzez obniżenie tem p e ra tu ry pracy w absorberze do kilk u stopni powyżej p u n k tu rosy. Wówczas jed n a k pojawia się problem z podgrzewem gazu przed kom inem , a przede w szystkim - niebezpie
czeństw o nieodparow ania wody z sorbentu i zawilgocenia filtrów workowych, co prow adzi do ich zniszczenia. J e s t to główna uciążliwość metody, gdyż zawilgocenie bardzo kosztow nych filtrów może się pojawić w każdych w a ru n k a c h prow adzenia procesu, gdy nie są dotrzym ane i precyzyjnie sterow ane głów ne param etry: ilość i te m p e ra tu ra spalin oraz ilość i skład rozpylanego so rb en tu . W m etodach tych bardzo kosztow na je s t więc autom atyzacja i stero
w a n ie i są one m ało elastyczne, jeśli idzie o ilość pobieranych spalin.
D obra spraw ność odsiarczania w ym aga też doskonałego rozpylenia sorben
tu ; w Polsce nie produkuje się szybkoobrotowych głowic spełniających takie w ym agania.
M etoda półsucha realizow ana je s t w dwu zasadniczych w ariantach: opisa
nym powyżej w ariancie z zastosow aniem głowicy rozpyłowej i w w ariancie z zastosow aniem dysz w tryskujących sorbent do złoża fluidalnego. Zasadnicza id ea obydwu procesów (np. zaw rót odpadów, te m p e ra tu ra pracy, zastosowanie filtrów workowych itp.) oraz spraw ność i koszty odsiarczania są w obu tych w a ria n ta c h bardzo zbliżone.
M etody te m ogą się okazać korzystne w wielu przypadkach, m ają niezłe spraw ności, a koszty inwestycyjne i eksploatacyjne - um iarkow ane. Za g ran i
174 Jerzy Buzek
cą są stosow ane dla dużych jed no stek energetycznych, posiadających p rak ty
cznie stałe p a ra m etry przepływ u spalin. W Polsce instalacje pracujące wg dwu różnych w ariantów m etod półsuchych oferuje kilkanaście firm krajowych i zagranicznych. Dla obiektów ciepłowniczych małej i średniej mocy, pracują
cych przy bardzo zmiennej wydajności cieplnej w sezonie grzewczym i poza nim, m etody te są kłopotliwe i zm uszają niekiedy do nieodsiarczenia części gazów w okresie szczytowego obciążenia lub też do wyłączania instalacji w przypadku m ałych obciążeń.
M etody m okre m ają spraw ności odsiarczania 90% i powyżej, co gw arantuje spełnienie ostrych norm ochrony środowiska. M etody te polegają n a pochła
n ian iu S 0 2 w wodnej zawiesinie sorbentu w specjalnych a p a ra ta c h - skrube- rach i kolum nach absorpcyjnych. Sorbentem je s t zmielony kam ień wapienny, a w wyjątkowych przypadkach — wapno. P roduktem je s t siarczan wapnia (gips), całkowicie obojętny dla środow iska n atu raln eg o w trakcie składowa
nia. Obieg wody je s t zwykle zam knięty. Odsiarczone gazy, m ające tem p eratu rę p u n k tu rosy (ok. 50°C), podgrzew a się przed kom inem o 15 20 lub też wyrzuca do atm osfery kom inem mokrym.
N ad m iar w ap niak a w tych m etodach je s t niew ielki, stosunek stechiometry- czny C a/S 0 2 wynosi zwykle 1,03 -s- 1,05, a ilość podaw anych spalin w konkret
nej instalacji może się w ahać w bardzo dużych granicach. A paraturę zabezpie
cza się przed korozją, dysze do rozpylania cieczy w skruberze czy kolumnie absorpcyjnej są ju ż obecnie bardzo dobrej jakości i łatwo dostępne. Koszty inwestycyjne i eksploatacyjne są porównywalne z m etodam i półsuchymi.
Oprócz m etody mokrej wapniakowej istnieje także, dość popularna w kraju, m etoda dw ualkaliczna i jej modyfikacje o parte n a w apnie jako surowcu lub też w ykorzystujące alkaliczne popioły lotne; okazały się one jed n a k niepewne w eksploatacji. Popraw a pewności działania w m etodzie dwualkalicznej prowa
dzi do bardzo rozbudowanego i drogiego u k ład u technologicznego, co skłoniło większość renom owanych firm zachodnich do zrezygnow ania z tej metody odsiarczania spalin.
WYBÓR OPTYMALNEJ METODY ODSIARCZANIA SPALIN
W celu ułatw ienia wyboru optym alnej m etody odsiarczania dla konkret
nych w arunków przedstaw iono podstawowe cechy om aw ianych metod: suchej, półsuchej i m okrej, opartych n a surow cach wapniowych.
W tabeli 1 zestawiono niektóre inform acje o om aw ianych metodach.
Biorąc pod uw agę podstawowe k ry teriu m doboru instalacji osiarczania, tzn.
stosunek kosztów sum arycznych do ilości S 0 2 oddzielonego od spalin, można stw ierdzić, że m etod a sucha m a zwykle wyższą w artość tego w skaźnika niż pozostałe metody. Koszty eksploatacyjne są bowiem znaczne (zużycie sorben
tu, zagospodarowanie dużych ilości odpadów, kłopoty z powierzchnią wymia
Dobór instalacji odsiarczania spalin. 175
n y ciepła w kotle), a ilość usuw anego S 0 2 - stosunkow o niew ielka. Należy je d n a k podkreślić, że w m etodzie tej koszty inw estycyjne są niskie, co w wielu przypadkach może przesądzić o zastosow aniu jej w praktyce. W arto jed n ak m ieć na uwadze, że m etoda sucha ch arak teryzu je się m ałą elastycznością na zm ianę obciążeń (wydajności kotła), jeśli chce się osiągnąć spraw ności odsiar
c zania rzędu 30 + 40%.
T ab lica 1 Z e sta w ie n ie n ie k tó r y c h in fo r m a c ji o o m a w ia n y c h m eto d a c h
Lp. Wyszczególnienie Metoda sucha (wapniakowa)
Metody półsuche (wapnowe)
Metoda mokra wapniakowa
1 Surowiec
Węglan wapnia Wapno gaszone Węglan wapnia - produkt kopalny
2 Skuteczność
odsiarczania 25 -i- 35% ok. 70% powyżej 90%
3 Stopień nadm iaru sorbentu
(stosunek Ca/S)
1,5 3 1,2 + 1 , 8 do 1 , 1
4 Wzrost kosztów
produkcji energii ok. 4% ok. 7% ok. 8%
5 Odpad
Lotne, suche pyły C aS04, CaSOs,
CaCOs
Lotne, suche pyły CaSOa, C aS04,
CaO
Obojętny dla środowiska półsuchy osad
CaS04 - gips
6 Ścieki brak brak zwykle brak
7 Wpływ zmian
obciążenia wrażliwa bardzo wrażliwa mało wrażliwa
8 Wpływ na pracę
kotła znaczny brak brak
Stosow anie tych m etod dla nowo budow anych kotłów, tzw. grupy C z R o z
p o r z ą d ze n ia M in istr a O Ś Z N iL z dn,12.11.1990r. dotyczącego norm dopusz
czalnej emisji, daje zwykle niew ystarczające efekty z p u n k tu widzenia ochro
n y środowiska. Je d n a k dla kotłów starszych, pracujących przy ustabilizow a
ny m obciążeniu, m etoda sucha odsiarczania spalin może się okazać najw łaści
w szym rozw iązaniem .
M eto d y pó łsu ch e m ają w artość w sk aźn ika kosztów do ilości wyłapanego S 0 2 n a tym sam ym , lub nieco tylko wyższym poziomie niż m etody mokre.
W w ielu przypadkach ich spraw ność je s t w ystarczająca dla spełnienia norm ochrony środow iska n aw et dla nowych kotłów. N ależy jed n a k mieć n a uwadze, że in sta la c ja wg tej m etody m usi być bardzo dobrze dopracow ana, bezbłędnie s te ro w a n a i obsługiw ana, pod groźbą poważnych aw arii, np. zawilgocenia filtrów , lub też radykalnego obniżenia spraw ności, gdy sorbent za szybko
176 Jerzy Buzek
wysycha. Z tego też względu w instalacji półsuchej istnieje w ąski margines zm iany param etrów przepływ u spalin. New ralgicznym punktem instalacji je s t wysokoobrotowa głowica, w ym agająca stałej obsługi, kontroli drgań oraz dość częstej wym iany. W rozw iązaniu ze złożem fluidalnym pojawiają się n a to m ia st znane problem y ruchowe z „utrzym aniem ” takiego złoża i ze stero
w aniem całością procesu.
Pew ną niedogodnością w stosow aniu m etod półsuchych je s t składowanie odpadu, którym są lotne pyły o znacznej zaw artości siarczynu wapnia (C a S 0 3); siarczyn w apnia nie je s t całkowicie obojętny dla środowiska.
M eto d a m o k ra w a p n ia ko w a m a zwykle niższy, w porów naniu z pozostałymi m etodam i, w skaźnik kosztów odsiarczania do ilości usuniętego S 0 2. Metoda ta charakteryzuje się możliwością zm iany obciążeń instalacji spalinam i w bardzo dużych granicach, przy czym opłacalne je s t przyjęcie zm ian przepływu spalin w zakresie 40 -¡- 130% obciążenia nom inalnego; jako odpad produkowa
n y je s t - w zależności od przyjętego rozw iązania albo w postaci półsuchej albo w suchej - jedynie gips, obojętny dla środowiska. M etoda wapniakow a gwa
ra n tu je praktycznie w każdych w aru n k ach uzyskanie wym aganych sprawno
ści odsiarczania, wym aga niewielkiego n a d m ia ru taniego i łatwo dostępnego surowca, jak im je s t m ielony kam ień w apienny. M etoda je s t mało wrażliwa na ew entualne błędy i niedopatrzenia sterow ania.
ODSIARCZANIE I ODPYLANIE SPALIN MOKRĄ METODĄ
WAPNIAKOWĄ
Analiza podanych wyżej kryteriów doboru m etody odsiarczania w odniesie
niu do podstawowych m etod doprowadziła do wniosku, że - podobnie ja k w innych krajach - w w arun k ach polskich niezwykle atrakcyjn a je s t mokra m etoda w apniakow a odsiarczania gazów odlotowych. S tatystyki światowe w ykazują, że od 80% (w USA) do 90% (np. w RFN) przemysłowych instalacji odsiarczania spalin to instalacje pracujące wg mokrej m etody wapniakowej.
T aka przew aga jednej m etody n ad innym i w ynika bez w ątpienia z faktu, że m etoda ta , dla przew ażającej liczby przypadków, m a niższe globalne (inwesty
cyjne i eksploatacyjne) koszty odsiarczania.
W Polsce m okra m etoda w apniakow a je s t oferowana jedynie przez firmy zachodnie (m.in. dla elektrow ni Bełchatów, Opole i Jaworzno), lub też przez firm y rodzim e, zw iązane jed n a k poprzez umowy licencyjne z zagranicznymi.
N ależy zauważyć, że w przypadku stosow ania polskiej technologii należałoby oczekiwać ok. 2 - 3 krotnie niższych kosztów inwestycyjnych, przy zbliżonych kosztach eksploatacyjnych, w porów naniu z technologiam i zagranicznym i lub licencyjnymi.
C h a ra kterystyk a p ro b lem u opracow ania w ła sn ej technologii. W instalacji odsiarczania spalin m okrą m etodą w apniakow ą zachodzi równocześnie kilka
D obór instalacji odsiarczania spalin. 177
Rys. 1. Schemat ideowy instalacji odsiarczania spalin wg w ariantu mokrej metody wapnia- kowej: 1 - skruber oczyszczania wstępnego ( 1 stopień) z napowietrzanym zbiornikiem zawiesiny, 2 - kolumna natryskowa (2 stopień) ze zbiornikiem zawiesiny, 3 - odkraplacz,
4 - podgrzewacz spalin
Fig. 1. Schematic diagram of the plant of the flue gas desulphurization due to wet limestone method: 1 - prelim inary absorption scruber (first stage) together with slurry tank with aeration, 2 - spray column (second stage) with slurry tank, 3 - demister, 4 - stack gas heater
procesów fizykochemicznych. W kolum nach zraszanych, pracujących współ- prądow o lub przeciwprądowo (rys. 1), następ u je absorpcja S 0 2 i innych kw aś
n y ch gazów w kroplach zaw iesiny sorben tu i produktów reakcji; równocześnie zachodzi tam proces schładzania gazu i odparow ania wody oraz odpylania sp a lin , a więc łącznie cztery procesy cząstkowe. Reakcja m iędzy zaabsorbowa
nym dw utlenkiem siarki a zaw iesiną sorben tu zachodzi w zbiornikach re akcyjnych, przy czym procesowi tem u tow arzyszy najpierw rozpuszczanie w ęg lan u w apnia, a n astęp n ie u tlen ian ie siarczynu w ap nia do siarczanu oraz k ry stalizacja. P a ra m e try procesowe w kolum nach, ja k i panujące w zbiorni
k a c h reakcyjnych w pływ ają naw zajem n a siebie i decydują o sprawności odsiarczania/odpylania, stopniu w ykorzystania sorbentu, oporach przepływu czy zużyciu energii n a m ieszanie i tłoczenie zawiesiny. Pełny model teoretycz
n y całości tego złożonego procesu nie je s t dotąd opracowany, a dla modeli procesów cząstkowych b rak w ielu danych fizykochemicznych, toteż procesy zw iązane z m okrą m etodą w apniakow ą są n a d a l przedm iotem b adań [2].
178 Jerzy Buzek
Prawidłow y dobór param etrów i optym alizacja projektow a procesu wymagają więc dysponow ania odpowiednimi, w łasnym i danym i doświadczalnymi.
Instalacje odsiarczania gazów stw arzają tak że liczne trudności eksploata
cyjne. W przypadku mokrej m etody wapniakowej należą do nich niebezpie
czeństwo z a ra sta n ia instalacji, problem właściwego odkraplania, dobór m ate
riałów odpornych n a korozję i erozję czy wreszcie optym alne rozwiązanie podgrzewu gazów przed kominem: poprzez m ieszanie z częścią gorących nie- odsiarczonych spalin, dodaw anie gorącego pow ietrza czy też podgrzewanie przeponowe p a rą lub gorącymi spalinam i. Osobne zagadnienie to łatwość u zd atn ien ia i zagospodarow ania odpadów, k tóre wiąże się m.in. z pełnym utlenieniem produktów i uzyskaniem gruboziarnistego gipsu ([3], [4]); dla przykładu dla samego tylko procesu u tle n ia n ia pożądane je st dysponowanie zależnością przedstaw ioną poglądowo n a rys. 2, aby stworzyć właściwe wa-
H--- 1--- 1--- 1--- b
3 4 5 6 7
pH
Rys. 2. Poglądowy przebieg zależności prędkości dotleniania siarczynu wapnia od pH za
wiesiny
Fig. 2. Demonstrative dependence of oxidation rate of CaS03 on pH value of the slurry
D obór instalacji odsiarczania spalin. 179
ru n k i pełnego u tlen ien ia odpadu. Kolejny problem to reaktyw ność stosow ane
go zmielonego w apienia i sposób podniesienia jej do wym aganego poziomu.
W szystkie te problem y ruchow e w ym agają analizy doświadczalnej, zanim p rzy stą p i się do technicznej realizacji metody.
B a d a n ia w łasne. W oparciu o w stępne dośw iadczenia oraz stu d ia lite ra tu row e w Instytucie Inżynierii Chemicznej PAN w Gliwicach zbudowano a p a ra tu rę doświadczalną do b adań m etody w apniaków ej, pracującą n a rzeczywis
ty ch gazach spalinowych. Rys. 1 p rzedstaw ia schem at ideowy tej instalacji.
B adania dotyczyły w pierwszej kolejności doboru ogólnego schem atu proce
sowego. Mokra m etoda w apniakow a może być bowiem realizow ana w kilku w a ria n tac h (rys. 3), a więc: bez sk ru b e ra wstępnego; z jednym zbiornikiem reakcyjnym dla sk ru b e ra i kolum ny; z dotlenianiem odpadu w trakcie absor
pcji lub też poza zbiornikam i reakcyjnym i; z różnym i rozw iązaniam i k o n stru kcyjnym i skrubera i kolum ny, a więc zraszanie dyszam i, zraszane wypełnie
n ie czy półki barbotażowe.
^odpad j
uzdatniony (powietrze)
Rys. 3. Warianty procesowe mokrej metody wapniakowej na bazie schematu z rys. 1; doda
no reaktor utleniania odpadów; — spaliny, zawiesina wapniaka i odpad, media dodatkowe
Fig. 3. Processing variants of the wet limestone method on the basis of the diagram from Fig. 1; reactor of oxidation of the waste was added (left); — flue g a s, limestone slurry
and w a ste, additional stocks
180 Jerzy Buzek
Przeprowadzono bad an ia optym alizacyjne param etrów procesowych oraz b ad an ia ruchow e dotyczące problemów eksploatacyjnych opisanych powyżej.
Sformułowano także zależności teoretyczne pomiędzy p aram etram i proce
su [5]. Przykładowe wyniki b adań param etrów procesowych przedstawiono n a rysu n k ach 4 i 5 [6].
R o zw ią za n ie techniczne w a ria n tu m o krej m etody w apniakow ej. W oparciu o uzyskane w b adaniach dane technologiczne, eksploatacyjne i sprawdzone rozw iązania konstrukcyjne opracowano kom pletny schem at technologiczny i procesowy instalacji odsiarczania dla typowych kotłów węglowych. Na tej podstaw ie zaprojektowano i w ykonano instalację w skali półtechnicznej, a n a stęp n ie technicznej. Ten w a ria n t mokrej m etody wapniakowej wykazuje w skaźniki identyczne ja k in stalacje tego typu produkow ane za granicą.
Przy opracow aniu omawianego w a ria n tu m etody wapniakowej uwzględnio
no także specyfikę lokalnych ciepłowni kom unalnych. Pracuje tam zwykle kilk a kotłów o zróżnicowanej wydajności cieplnej. Ilość spalin w okresach szczytowego, zimowego obciążenia przew yższa w ielokrotnie ilość spalin w okresie letnim . Obsługa nie posiada dośw iadczenia w prow adzeniu tego typu instalacji i nie dysponuje zapleczem analitycznym .
Podstawowe dane techniczne typowej instalacji wg omawianego w ariantu mokrej m etody wapniakowej są następujące:
- skuteczność odsiarczania i odpylania > 90% i > 95%
- zużycie kam ienia wapiennego (zmielonego) 1,6 kg/kg S 0 2
- zużycie wody 50 -*• 80dm3/1000 Nm3 spalin
- ilość suchego odpadu 3 kg/kg S 0 2
- opory przepływ u 24 k P a
- moc zainstalow ana 2,5 3 kW/1000 Nm3 spalin/h
PODSUMOWANIE
Znaczna ilość oferowanych rozw iązań instalacji odsiarczania spalin stwa
rza poważne trudności przy doborze m etody czyjej w a ria n tu dla konkretnego przypadku. Zasadniczym zaś celem doboru powinny być najniższe sumarycz
ne koszty odsiarczania, z uwzględnieniem spełnienia przez instalację norm ochrony środowiska.
K ryterium ekonomiczne doboru, bez w ątp ienia najwłaściwsze, wymaga jed n a k trudnych, pracochłonnych i niekiedy niepew nych obliczeń, toteż moż
n a je zastąpić k ry teriam i cząstkowym i, tak im i ja k spraw ność odsiarczania instalacji, wrażliwość n a zm iany obciążenia, orientacyjne koszty budowy, zużycie surowców, energii i innych m ateriałów , ilość i rodzaj zrzucanego odpadu, pewność ru ch u oraz pro sto ta obsługi i sterow ania instalacją. Popular
ność m etody w krajach, które rozw iązały już problem odsiarczania, je s t dodat
kowym, ważnym w skaźnikiem opłacalności danego rozw iązania.
Rys. 4 . Zmiany efektywności absorpcji w trakcie wyczerpywania zawiesiny; stężenie ciała stałego w zawiesinie: 1 0 0 g/dm3; zraszania na 3 poziomach z natężeniem 4 ,5 dm3/m3 gazu, przy prędkości spalin 4 m/s; początkowa zawartość CaCO;s: 1 0 g/dm3
Fig. 3. Dependence of the SO2 reduction (%) and the slurry exhaustion (pH) on time (h) total concentration of solid in slurry: 100 g/dm3; 3 spraying levels with the rate 4 ,5 dm3/m3 of gas; flue gas velocity: 4 m/s; initial concentration of CaC0 3 : 10 g/dm3; 1 and 2
denote the number of experimental run and the numbers in right figure denote the concentration of CaC03 in the slurry (%)
00
Dobór instalacji odsiarczaniaspalin...
182 Jerzy Buzek
Rys. 5. Wpływ stężenia początkowego SO2 n a skuteczność absorpcji i ilość zaabsorbowanego SO2 w 1 dm3 zawiesiny zraszającej, przy stężeniu zawiesiny 100 g/dm3, zraszaniu na 3 poziomach w każdej kolumnie, z natężeniem 6 dm3/Nm3 (I kolumna) i 10 dm /Nm3 (II kolum
na) oraz prędkości spalin ok. 2 m/s
Fig. 5. Dependences of the reduction rate of SO2 (left, in%) and the amount of SO2 absorbed (right, in mg/dm3 of slurry) on the initial SO2 concentration in flue gas, for solid concentra
tion in slurry 100 g/dm3, 3 spraying levels in each column, spraying rate 6 dm3/Nm3 (first column) and 1 0 dm /Nm3 (second column ), and flue gas velocity ca. 2 m/s
A naliza podstawowych m etod odsiarczania pozwala ograniczyć zakres po
szukiw ań optym alnej m etody dla odsiarczania spalin w w arunkach polskich do trzech metod: suchej, półsuchej i mokrej, opartych n a surowcach wapnio
wych.
Opisano szerzej m okrą m etodę w apniakow ą, najpopularniejszą obecnie me
todę odsiarczania spalin oraz w a ria n t tej m etody opracowany n a podstawie w łasnych badań i doświadczeń eksploatacyjnych.
Dobór instalacji odsiarczania spalin. 183
LITERATURA
[1] Buzek J.: O ptym alizacja kosztow a instalacji odsiarczania gazów na przykładzie bezodpadowego procesu W ellm an-Lorda. Inżynieria i A para
tu ra Chem iczna, 1995, 34, n r Ź . k
[2] Chem.Engng.Sci., w ydanie specjalne, 1994, 49, No 24A.
[3] M ittelbach G.: D esulphurization of flue gases on th e basis of line and limestone scrubbing-sulphur. Dioxide an d N itrogen Oxides in In du strial W aste Gases. 1991 ESCS, EEC, EAEC, B russels and Luxemburg.
[4] Hengel J.A. et al., FGD By-Product D isposal/U tilization. T enth Sympo
sium on FGD, A tlanta, Novem ber 1986.
[5] Mrozowski J., Wpływ podstawowych p aram etró w procesowych n a sku te
czność odsiarczania gazów m okrą m etodą w apniakow ą. P raca doktor
ska, w przygotowaniu.
[6] Buzek J., Mrozowski J., W asilew ski W.: B adania mokrej m etody wa- pniakowej odsiarczania spalin i w drożenie w a ria n tu tej metody. Inżynie
ria i A p a ra tu ra Chem iczna, 1995, 34, n r 2.
Recenzent: Prof, d r hab. inż. Tadeusz CHMIELNIAK W płynęło do Redakcji: 10. 03. 1995 r.
A b stra ct
T he paper deals w ith th e selection of th e FGD p la n t th a t would su it the assu m e d users dem ands. The aim of th e selection procedure is th e m inim ization of costs of desulp h urizatio n w hen charges connected w ith th e environm ental protection are tak e n into account. Thus, th e total cost (capital a n d operating) of th e p la n t should be th e m ost im p o rtan t criterion of the selection.
The example of th e cost optim ization of FGD p la n t w as given in [1]. The procedure is very com plicated un fortu nately , and som etim es gives unscertain re s u lts . Instead of th e overall criterion we can employ in th e optim ization procedure some p a rtia l criteria, as SO2 reduction ra te , sensitivity to flow-rate changes, q u an tity and type of w astes, reliability of operation, control problem s, consum ption of energy and other m aterials.
T he typical FGD m ethods w ere com pared one to an o th er on th e basis of th o se criteria. The detailed com parison of th e re su lts are presented in the T able 1 for some very popular m ethods: dry lim estone, dry-scrubbing w ith lim e s lu rry and w et lim estone.
184 Jerzy Buzek
It should be pointed out th a t th e p rese n t nu m b er of in d u stria l applications of p a rticu la r m ethod, w hen com pared w ith th e nu m ber of applications of an other m ethod, reflects in some way th e to ta l costs of th e employment of FGD m ethod. Thus, th e m ost popular one, th e w et lim estone FGD method, should probably give th e lowest costs of desulphurization.
G eneral description of different schem es of w et lim estone m ethod was given in th e paper (Fig. 3) to g eth er w ith th e description of particular processes (for exam ple oxidation of sulfite - Fig. 2) accompanying th e gas cleaning. Typical operating problem s concerning th e technical application of th e m ethod w ere also shortly discussed.
The investigations of th e w et lim estone m ethod in large-scale laboratory a p p a ra tu s (Fig. 1) w ere carried out in th e In s titu t of Chem ical Engineering - Polish Academy of Sciences, Gliwice. The re su lts (the exam ples ave given in Fig. 4 and 5) brought the possibility of elaboration, design and realization of th e FGD p lan t in technical scale [5]. E xam ination of the p lan t (the S 0 2 rem oval efficiency, o perating and capital costs and th e reliability of operation) clearly shows th a t th e elaborated v a ria n t of th e w et lim estone FGD m ethod is com patitive in com parison w ith th e typical offer of th e w et lim estone FGD in sta lla tio n (see also [6]).
