Jerzy SOBOTA
Zakład Techniki Cieplnej i Gospodarki Energetycznej,
Zakłady Pom iarowo-Badawcze Energetyki ENERGOPOMIAR, Gliwice
UJEMNE SKUTKI ZWIĄZANE Z WPROWADZENIEM OGRANICZENIA EM ISJI TLENKÓW AZOTU
METODAMI PIERWOTNYMI W PALENISKACH KOTŁÓW ENERGETYCZNYCH
S tr esz c z en ie . Z uwagi n a obowiązujące przepisy praw a konieczne je s t dostosowanie pracujących kotłów energetycznych do w ym agań wy
nikających z dopuszczalnych emisji szkodliwych substancji, w tym tle n ków azotu. Sposobem n ajtańszym i w wielu przypadkach w ystarczają
cym je s t zm niejszenie stężenia tego skład n ik a w w yniku odpowiedniej organizacji procesu spalania, co jed n a k powoduje niepożądane efekty uboczne, takie jak: żużlowanie, w zrost części palnych w żużlu i popiele, w zrost zawartości tlen k u węgla w spalinach.
UNWANTED SID E -E FFE C T S CONNECTED W ITH PRIMARY METHODS OF NOx REDUCTION IN POWER BOILER FURNACES
Sum m ary. In view of valid ru les and reg ulatio n it is necessary to reduce th e em ission of noxious substances, including NOx, from power boilers. A suitable arran g em en t of th e com bustion process is inexpensive and sufficient in m any cases. However, it gives rise to some u nw anted side - effects, such as th e slagging of h e a t surfaces, increase in combustibles in slag and dust, increase in CO content in flue gas.
BPEflHhlE P E 3yjlbT A T bl CB513AHHbIE C BHERPEHHEM nEPBMMHbIX METOROB CHMŻKEHH51 BbIBPOCOB OKCHROB A 30T A B TOnKAX SHEPrETHRECKHX KOTJIOB
Pe3K)Me. T p e ó o B a n H H n o oKpyx ai om e ii c p e ą e BbmyxcflaioT H e o ó x o A H M O C T b n p n c n o c o ó n e H H a p a d o T a i o m u x ancpi’C T H v e c K H x k o t j i o b k f l o n y c T H M H M BejIHHHHaM 3 M H C C M H BpeflHUX ra30B, B T O M HHCJie TOXCe OKCHflOB a30Ta. CaMHM flemëBM h b HecKOJibKHX cJiHuaax ą o c T a T o n H H M c n o c o ó o M aBJiaeTCH y M e H b m e H H e aToro KOMiioncHTa vepc3 cooTBeTCTBeHHyio opraHH3an,mo n p o u e c c a ropenna. OflHaxo s t o i i p h h o c m t He*eaaTCiibHbre pe3yjibTaTH, Tax ne
K aK uiJiaKOBaHHe, y u c J i m c u M c HeąojKora b T B e p ą u x 0CTaTKax camramisi, n o B H m e H H e coąepacaHHH CO b ripoąyKrrax ropeitusi.
Zachowanie n a dopuszczalnym poziomie ilości szkodliwych substancji po
w stałych w procesie energetycznego sp alan ia węgla i odprowadzanych do atm osfery w ynika z w ym agań obowiązujących przepisów praw a [1], ja k rów
nież m a aspekt ekonomiczny związany z system em opłat za korzystanie ze środowiska oraz k a r za przekroczenie ustalonych wielkości emisji. W odniesie
niu do tlenków azotu (NOx), podobnie ja k i w przypadku dw utlenku siarki i pyłów, można stosować ich usuw anie ze spalin w odrębnej instalacji. Jed n ak wobec ogromnych kosztów odazotowania spalin powszechnie stosuje się tech
niki umożliwiające zm niejszenie ilości tlenków azotu powstających w procesie spalania, nazyw ane powszechnie m etodam i pierwotnym i.
Dla osiągnięcia efektu zm niejszania w iązania się tle n u z azotem należy obniżyć nad m iar pow ietrza do spalan ia łub tem p e ra tu rę spalania, bądź oba te czynniki jednocześnie.
W niniejszym arty ku le ograniczono się do przypadków stosow ania metod pierwotnych w kotłach energetycznych z paleniskam i pyłowymi n a podstawie posiadanego przez Energopom iar praktycznego rozeznania. Stąd też pominię
to - z uwagi n a brak lub niewielkie doświadczenia w w arun kach polskiej energetyki - technikę spalania fluidalnego i jej kombinacje z paleniskiem rusztowym (np. Ignifluid) czy pyłowym (HUS).
W prowadzenie zm ian konstrukcyjnych w pracujących kotłach je s t tru d n e z uwagi n a z a sta n ą in fra stru k tu rę techniczną, zwłaszcza zagospodarowania przestrzeni koniecznej do w prow adzenia nowych elem entów i urządzeń. Dla nowo projektowanych kotłów nie m a tych ograniczeń, chociaż w ym agania staw iane przez przepisy ochrony środowiska są z kolei wyższe.
J e s t rzeczą oczywistą, że przy w prow adzaniu do eksploatacji pierwotnych m etod ograniczania emisji NOx drogą m odernizacji elem entów układu paleni
skowego lub w d rażania zmodyfikowanego reżim u pracy p alenisk a ekspono
w ane są osiągnięte rezu ltaty w postaci zm niejszenia stężenia tego składnika w spalinach odprowadzanych do atm osfery z eksploatow anych kotłów. J e s t to oczywiście pierwszoplanowy cel tego typu przedsięwzięć. Jako cele drugopla
nowe najczęściej staw iane je s t utrzym anie wydajności, zachowanie p aram e
trów wylotowych czynnika obiegowego (pary lub wodu dla celów grzewczych) oraz osiągnięcie określonego poziomu spraw ności cieplnej. Stosunkowo nie
wiele uwagi do tej pory poświęcono trudnościom i ujem nym skutkom (w tym również wpływaj ącym n a koszty eksploatacji), związanym z wprowadzeniem i utrzym aniem spalania niskoemisyjnego, chociaż są już tu ta j pewne doświad
czenia.
Ogólnie m ożna stwierdzić, że organizacja procesu s p a la n ia w sposób ogra
niczający pow staw anie tlenków azotu, zwłaszcza mocne ograniczanie n ad m ia
ru powietrza, ja k i jego „rozciągnięcie” w przestrzen i (stopniow anie dopływu powietrza, doprowadzenie czynnika inercyjnego itp.) je s t odm ienna od stoso
wanej w przeszłości dla osiągnięcia możliwie wysokiej efektywności energety
cznej oraz zm niejszenia skłonności do tw orzenia zanieczyszczeń popiołowych.
Stąd między innym i wynikają niekorzystne sk u tk i oraz konieczność u trzy m a
nia zaostrzonych reżimów prow adzenia procesu sp alania, spowodowane ko
niecznością dotrzym ania w ym agań zw iązanych z em isją NOx.
INTENSYFIKACJA ZANIECZYSZCZEŃ POPIOŁOWYCH
Zagrożenie w ystępow ania intensyw nego procesu zanieczyszczenia osadam i popiołowymi powierzchni komory paleniskowej, tzw. żużlowanie, potencjalnie istnieje dla praw ie każdego kotła pyłowego. Zagrożenie to je s t w iększe przy spalaniu węgla o zwiększonych skłonnościach do szlakow ania, związanych ze składem chemicznym popiołu i w ynika z konstrukcji (np. wysokie jednostko
we obciążenia cieplne komory paleniskowej).
Ze stosowaniem technik sp alan ia dla uzysk ania niskich stężeń NOx wiąże się często występowanie przestrzen i (stref), gdzie spalanie odbywa się z niedo
miarem powietrza. W pływa to n a własności fizyko-chem iczne popiołu, co objawia się między innym i obniżeniem poziomu te m p e ra tu r charakterystycz
nych przem ian. N a wykresie (rys. 1) przedstaw iono przykładowo te m p e ra tu ry charakterystycznych przem ian popiołu uzyskane w czasie b a d ań tej samej próbki w atm osferze utleniającej i redukującej.
Dodatkowo należy wziąć pod uw agę efekt spłaszczenia przebiegu tem p era
tur spalin n a wysokości kom ory paleniskowej, co objawia się niższym i w arto ściami tem p e ra tu ry w rejonie palników, a wyższymi n a wylocie z komory.
W sprzyjających w arunkach może to intensyfikować żużlowanie tego rejonu, a zwłaszcza grodzi.
Największe zagrożenie z ty tu łu żużlow ania stanow i prow adzenie procesu spalania z nadm iarem pow ietrza poniżej wymaganego. N aw et stosunkowo krótki okres (kilkugodzinny) takiej pracy może doprowadzić do konieczności odstaw ienia kotła do ręcznego czyszczenia. Bez niezawodnej autom atyki, zwłaszcza przy pracy kotła w system ie ARCM, praktycznie nie m a możliwości utrzym ania w ym aganych w arunków prow adzenia procesu spalania. Stąd szczególny nacisk położyć należy n a bieżącą kontrolę n a d m ia ru pow ietrza i pracę autom atyki, sterującej procesem spalania. Dotyczy to zwłaszcza nieza
wodności w skazań tlenom ierzy. D użą rolę odegrać może kontrola zaw artości CO w spalinach, bowiem jej w zrost dodatkowo w skazuje n a prowadzenie spalania ze zbyt niskim n adm iarem powietrza.
O
o
05L_
05k_
(U Cl
ECU
1600
1200
800
Temperatury przemian popiołu
EZZZ3
w atmosferze półredukcyjnej|_____ | w atmosferze utleniającej
Temperatura Temperatura Temperatura Temperatura spiekania mięknienia topnienia płynięcia
Rys. 1. W pływ niedom iaru pow ietrza n a te m p e ra tu ry ch arak tery sty czn y ch przem ian popiołu Fig. 1. Influence of red u ctio n -o r non reduction atm o sp h ere on ch aracteristic a s h te m p e ra tu re s
ZWIĘKSZENIE EM ISJI TLENKU WĘGLA
Praw ie we w szystkich obserwowanych przypadkach przy obniżonej emisji NOx obserwuje się w yraźny w zrost stężenia tle n k u węgla w spalinach. Widać to również n a przedstaw ionym wykresie - rys. 2 - dla kotła B P -1150 (przy wybranym układzie pracy młynów).
J a k widać, dla utrzy m an ia emisji NOx n a w ym aganym poziomie konieczne jest utrzym anie n a d m iaru pow ietrza poniżej 1,24. N atom iast by em isja CO nie była nadm iern a, poziom n ad m iaru pow ietrza nie może być niższy od 1,21.
Wynika stąd, że dla u trzy m an ia — w tym przypadku — obu składników poniżej
Nadmiar powietrza w komorze paleniskowej
Rys. 2. O ptym alizacja n a d m ia ru pow ietrza ze w zględu n a em isję tlen k ó w azo tu i tle n k u w ęgla n a przykładzie k o tła B P -1 1 5 0 oraz w ybranego u k ła d u p racy m łynów: Pc - dopuszczalny poziom em isji CO, P n - d o p u szczaln y poziom em isji N O x, X - w y m a g a n y z a k re s n a d m ia ru
pow ietrza. W artości em isji zostały przeliczone n a 6% zaw artości tle n u w sp alin ach Fig. 2. O p tim iz a tio n of th e a ir-e x c e s s ra tio for th e re d u c tio n of N O x a n d CO (boiler B P-1150): P c - C O -e m is sio n re q u ire m e n t, P n - N O x -em issio n re q u ire m e n t, X - air-e x c e s s
ra n g e re q u ire d . E m issio n s c a lc u la te d on 6% O2
w artości dopuszczalnych konieczne je s t utrzym yw anie n a d m ia ru pow ietrza w w ąskim przedziale 1,21 ... 1,24. Dla innych w arunków pracy tego kotła (inne pracujące młyny, inne ustaw ienie klap pow ietrza OFA) otrzym uje się inne poziomy zawartości NOx w zależności od nad m iaru pow ietrza, przy podobnych stężeniach CO. W efekcie dla pewnych w arunków nie m ożna osiągnąć odpo
wiednio niskiego poziomu zawartości NOx bez przekroczenia granicznego stężenia CO, n ato m iast w innych przedział n a d m ia ru pow ietrza z dotrzym a
niem w arunków emisji je s t stosunkowo duży.
Podobną sytuację dla kotła wodnego W P-120 przedstaw ia dolna część rys. 3. W tym przypadku zakres n ad m iaru pow ietrza w ym agany dla utrzym a
nia wym aganej emisji NOx i CO je s t stosunkowo szeroki - 1,22 ... 1,37.
STRATY I SPRAWNOŚĆ KOTLA
W prowadzenie m odernizacji paleniska pyłowego dla zm niejszenia emisji tlenków azotu, takich ja k np.: palniki niskoem isyjne, dysze pow ietrza górnego (OFA), recyrkulacji spalin prowadzi do zwiększenia s tr a t cieplnych, o ile równocześnie nie przeprowadzono stosowanych zm ian w powierzchniach wy
m iany ciepła lub gruntownego rem ontu (odnowy) kotła.
Zm niejszeniu m aksym alnem u te m p e ra tu r w jąd rze płom ienia towarzyszy m niejszy lub większy w zrost te m p e ra tu r n a wylocie z komory paleniskowej i n a wylocie z kotła. Zwiększona te m p e ra tu ra spalin wylotowych, chociaż nie we w szystkich przypadkach, kom pensow ana je s t spadkiem ilości spalin w wyniku ograniczenia n ad m iaru pow ietrza do spalania. Do w zrostu tem p e ra tu ry spalin wylotowych może przyczynić się wzmożony proces tw orzenia się zanieczyszczeń popiołowych w komorze paleniskowej.
N a ogół następuje w zrost zawartości części palnych w żużlu i popiele lot
nym, o ile nie je s t skompensowany wpływem innych czynników (np. popraw a przem iału, rozdziału m ieszaniny pyłowo-gazowej i pow ietrza n a poszczególne palniki). Spadek sprawności, spowodowany w zrostem s tra ty wylotowej utajo
nej z ty tu łu zwiększonej zawartości CO w spalinach w większości przypadków nie je s t znaczący z uwagi n a konieczność utrzym yw ania emisji tle n k u węgla w określonych granicach.
N a górnej części rys. 3 przedstaw iono kształtow anie się s tr a t cieplnych w przypadku kotła W P-120; stra ty prom ieniow ania nie przedstaw iono osobną linią z uwagi n a jej s ta łą w artość (została uwzględniona w sum ie strat). J a k widać z rysunku, istnieje n ad m iar pow ietrza optym alny ze względu n a spraw ność kotła, zależny w przedstaw ionym przypadku od stra ty wylotowej w yraża
nej i s tr a t w niedopałach stałych, który leży powyżej zak resu w artości wym a
ganych ze względu n a emisję NOx i CO.
Przy wzroście zawartości części palnych w niedopałach może dojść do prze
kroczenia wielkości wym aganych dla w ykorzystyw ania tych odpadów w bu-
N a d m ia r p o w ie trza
Rys. 3. N a d m ia r p o w ie trz a o p ty m a ln y ze w z g lę d u n a sp ra w n o ść i w y m a g a n y z u w a g i n a emisję tle n k ó w a z o tu i tle n k u w ęgla: CO - e m isja tle n k u w ęg la, N O x — e m isja tle n k ó w azo tu , Sww - s t r a t a w ylotow a w y ra ź n a , S z+P - s t r a t a w żu żlu i popiele, S wu - s t r a t a n iezu p e łn eg o sp alan ia, X s - su m a s t r a t, Xopt - n a d m ia r o p ty m a ln y ze w z g lę d u n a s t r a ty , A.min - m in im a l
n y z u w ag i n a em isję CO, /,ma i - m a k s y m a ln y z u w a g i n a em isję N O x
Fig. 3. O p tim u m a ir-e x c e s s for m a x im u m bo iler efficiency a n d re q u ire d fro m th e v iev p o in t of NOx a n d CO em issions: CO, N O x - e m issio n s, SWw - ch y m n ey loss, S z+P - loss in com bustibles (slag + fly a sh ), Swu — loss d u e to CO in flu e g a s — to ta l b o iler loss, A.opt — a ir excess ra tio fo r m in im u m to ta l loss, A.min — m in im u m a i r excess r a tio fo r CO em issio n ,
A,max - m a x im u m a ir excess fo r N O x em issio n
downictwie. W takim przypadku, oprócz oczywistych s tr a t finansowych, wy
stępuje konieczność ich składow ania (przy b rak u innych możliwości gospodar
czego wykorzystania), co stanow i dodatkowe obciążenie środowiska.
W w aru n k ach w ystępow ania niższych s tr a t w niedopałach stałych opti
m um mogłoby się znaleźć w ew nątrz lub poniżej (o optim um decydować może s tr a ta wylotowa utajona i wyraźna) przedziału n ad m iaru pow ietrza wym aga
nego z uw agi n a emisję.
WNIOSKI
Stosowanie pierwotnych m etod ograniczenia emisji tlenków azotu, uzasa
dnione z p u n k tu widzenia ochrony środow iska z jednej strony, a kosztam i w prowadzenia z drugiej, wym aga podniesienia poziomu eksploatacji kotłów.
Dla sp rostania utrzym aniu zaostrzonego reżim u eksploatacyjnego niezbęd
ne je s t w prow adzanie niezawodnej autom atyki spalania. Jednym z jej new ral
gicznych elementów, wymagającym szczególnej troski, je s t a p a ra tu ra do po
m iaru zawartości tlen u w spalinach. Z uwagi n a m inim alną bezwładność wska
zań, konieczną zwłaszcza przy pracy bloku w ARCM, obecnie stosuje się sondy cyrkonowe, które poza wymienioną zaletą są kosztowne i często zawodne.
Liczyć się również należy z występowaniem niepożądanych skutków w postaci obniżenia sprawności kotła brutto, ja k i możliwością w ystąpienia wzmożonego żużlowania. W tym ostatnim przypadku konieczne staje się wprowadzenie skutecznie działających zdmuchiwaczy.
LITERATURA
[1] Rozporządzenie M inistra Ochrony Środowiska, Zasobów N aturalnych i Leśnych z dn. 12.02.1990 r.
[2] Spraw ozdania Energopom iaru z pom iarów cieplnych i regulacyjnych kotłów w Elektrowniach: Łagisza, Łaziska, Siersza, Turów oraz Elektro
ciepłowniach: Lublin, Łódź, Rzeszów, Siekierki.
Recenzent: Prof. d r hab. inż. Ludwik CWYNAR
Wpłynęło do Redakcji 5.08.1994 r.
Abstract
There is an increasing environm ental p ressu re worldwide for reducing th e emission of noxious substances including NOx from power stations boilers.
A suitable arran g em en t of th e combustion process is inexpensive and sufficient in m any cases. However, it gives rise to some u n w an ted side - effects, such as th e slagging of h e a t surfaces, increase in com bustibles in slag and flue dust, increase in CO.
The prim ary factors th e t lead to NOx form ation are tem p e ra tu re and availability of oxygen. There are reducing zones in th e com bustion chamber.
In these conditions ash sedim ents m ay ap p ear on h e a t surfaces in the combustion chamber.
The decrease in oxygen availability causes th e increase in carbon oxide. In many cases th ere are lim its of oxygen availablity to keep CO and NOx below demand values.
The increase in combustible residues in slag and fly ash causes th e decrease in th e boiler efficiency.
There is a lim it of combustibles to enable th e u tilization of slag and fly ash in the building industry.
