|
Aktualności
|
|
Informacje
Numery
Numer 12/2002
Mniejsza szkodliwość dla środowiska i... Czysta siarka ze spalin.
|
|
W połowie XX wieku wybudowano w środkowej Europie równocześnie dwa kombinaty rafineryjno-petrochemiczne, jeden pod nazwą PCK (Petrol-Chemisches Kombinat) Schwedt w odległości 130 km w kierunku północnym od Berlina, a drugi - w naszym kraju, w Płocku. Gdy w latach 90. wprowadzono w Unii Europejskiej zaostrzone normy dla ochrony środowiska, to okazało się, że istniejące w tych kombinatach elektrociepłownie nie spełniały wymogów emisji trujących składników w spalinach, szkodzących biosferze. Polacy zdecydowali się wówczas na hydroodsiarczanie oraz hydrokraking ciężkiej pozostałości z przerobu ropy i zbudowali nowoczesną, wysoce efektywną wytwórnię. Niemcy natomiast zbudowali nową elektrociepłownię z odsiarczaniem spalin, z których - wg know-how firmy Wellmann-Lord - usuwa się selektywnie SO2 i kieruje do kompleksu Clausa w rafineryjnej części fabryki - dla wytwarzania siarki o bardzo wysokiej czystości. Siarka jest szczególnie przydatna w wulkanizacji kauczuku.
Nową elektrociepłownię oddano do ruchu na przełomie lat 1998/99 i dziś pora na przedstawienie jej wyników rozruchowo-eksploatacyjnych. Z zaprezentowanych informacji mogłyby skorzystać i nasze rafinerie. (J. Ohliger, T. Schulze, U. Szymanek; VGB Power Techn., 36, 3, 2002)
Infrastruktura
Kombinat Rafineryjno-Petrochemiczny (PCK) w Schwedt – zlokalizowany obok miasta z 42.000 mieszkańców – przetwarza nieco ponad 10 mln ton/rok ropy, sprowadzanej rurociągiem przez Polskę z odległej o prawie 4000 km Syberii. Należy do najefektywniejszych kompleksów rafineryjnych w Europie od lat 80., kiedy wspólnie z Japończykami rozpracowano i wdrożono przetwórstwo ciężkiej pozostałości z próżniowej destylacji ropy do komponentów paliw silnikowych wg know-how pod nazwą „High Soaker Cracking” (HSC). Aby zmaksymalizować uzysk lekkich półproduktów, pozostałość z próżniowej destylacji ropy jest przed procesem HSC poddawana tzw. visbreakingowi, który na drodze termicznej obróbki przetwarza wsad w około 20% mas. również w komponenty paliw silnikowych.
W strategii funkcjonowania rafinerii założono, by wszelkie ciężkie półprodukty i wyroby, które zawierają powyżej 0,7% mas. siarki przetwarzać we własnej elektrociepłowni na ciepło (para wodna o 4 różnych ciśnieniach dla celów procesowych oraz cyrkulująca gorąca woda dla ogrzewania miasta Schwedt) i energię elektryczną, pokrywając nią w 100% potrzeby własne oraz - w części - okolicznych odbiorców.
Kogeneracyjny system pracy elektrociepłowni, przy kosztach własnych wytwarzania energii elektrycznej w wysokości 24,50 euro/MWh, a pary procesowej (średnio) 15,80 euro za tonę, czyni ją konkurencyjną względem najbliżej zlokalizowanych elektrowni zawodowych.
Głównym spośród czterech półproduktów z przeróbki ropy (tabela 1), kierowanym do elektrociepłowni jest pozostałość podestylacyjna z procesu „High Soaker Cracking”. W warunkach otoczenia jest to substancja stała, która pompowalność osiąga dopiero w temperaturze powyżej 220 st. C.
Stara elektrociepłownia została uruchomiona – wraz z kompleksem rafineryjno-petrochemicznym – w latach 60. W latach 80. zaadaptowano ją do przerobu pozostałości z procesu HSC jako ostatniego ogniwa (ekonomicznie wysokoefektywnego) przerobu ropy.
Obejmowała sześć kotłów parowych, każdy o wydajności 220 t/h oraz sześć turbin (z których dwie były kondensacyjne, a cztery przeciwprężne), sprzężone z elektrogeneratorami o globalnej mocy 176 MW. W latach 90. ukazały się nowe, bardzo zaostrzone normy w obszarze ochrony środowiska, które narzuciły kosztowne inwestycje dla obniżenia emisji tlenków azotu, pyłów oraz tlenków siarki do atmosfery.
Przeprowadzone wariantowe analizy techniczno-ekonomiczne w PCK - Schwedt wykazały celowość zbudowania nowej elektrociepłowni i to z ograniczeniem liczebności bloków energetycznych z sześciu do dwóch.
Nowa elektrociepłownia
By zapewnić PCK - Schwedt konkurencyjność względem pozostałych rafinerii na terenie Niemiec, zdecydowano się na maksymalnie możliwy, wielostopniowy przerób pozostałości z próżniowej destylacji ropy do komponentów paliw silnikowych, a wszystkie inne ciężkie półprodukty z zawartością siarki powyżej 0,7% mas. (tabela 1) wraz z gazami odpadowymi (tabela 2) skierowano do wytwórczości ciepła oraz energii elektrycznej – z nastawieniem na maksymalną sprzedaż obu tych nośników energii odbiorcom regionu.
W ramach zasady „Last but not least”, PCK - Schwedt pokrywa całoroczne zapotrzebowanie miasta w ciepło, a nadmiar energii elektrycznej – około 90 MW – przekazuje się do okolicznej sieci.
Tabela 1
Właściwości fizyko-chemiczne ciężkich półproduktów oraz oleju opalowego gat. S.
Tabela 2
Właściwości fizyko-chemiczne gazów odpadowych.
Dla niezawodności dostaw pary procesowej, o czterech różnych ciśnieniach, do nowej elektrociepłowni dołączono dwa najmłodsze kotły ze starej, uzupełniając je w zmodernizowane komory spalania, zapewniające ograniczoną emisję NOx w spalinach oraz wzrost produkcji pary z 220 t/h do 240 t/h dla każdego z nich.
Nowe dwa bloki energetyczne wytwarzają po 700 t/h pary każdy, co ze zmodernizowanymi starymi zapewnia sumaryczną moc produkcyjną pary w ilości 1880 t/h. W praktyce eksploatacyjnej produkcja pary nie przewyższa 1620 t/h.
Obie nowe turbiny z elektrogeneratorami osiągają moc po 117 MW, natomiast te dwie ze starej elektrociepłowni osiągają razem 66 MW.
Sprzedaż ciepła do miasta Schwedt wynosi 66 MW, natomiast dostawa pary procesowej pod czterema różnymi ciśnieniami dla instalacji rafineryjno-petrochemicznych osiąga wielkość 550 t/h. Jak już wspomniano wcześniej elektrociepłownia jest przede wszystkim opalana pozostałością z procesu „High Soaker Cracking”, a innymi nośnikami energii wg tabel 1 i 2 jest jedynie uzupełniana.
Dla zapewnienia niezawodnej, rytmicznej pracy palników, pozostałość z procesu HSC jest ogrzewana automatycznie regulowanymi grzałkami elektrycznymi do ściśle wyznaczonej wysokości, ale w zależności od lepkości, a nie od określonej temperatury. Wpływ temperatury na lepkość kinematyczną pozostałości z procesu HSC oraz oleju opałowego gat. S ujęto na rys. 2.
Kolektory, rozprowadzające ciekłe komponenty spalania wybudowano w układzie pierścieniowym, z którego automatycznie sterowane zawory odprowadzają oleje do palników wg rys. 1. Ten system zasilania olejami palnymi eliminuje osadzanie się osadów w rurociągach.
Dla tłoczenia pozostałości z procesu HSC stosuje się jedynie pompy radialne, a nie jak powszechnie w elektrociepłowniach rafineryjnych – opalanych olejami – pompy osiowe, pracujące w systemie śrubowym. Zastosowane rozwiązanie zapewnia dodatkowe rozdrabnianie cząstek koksiku i przyczynia się do bezawaryjności pracy palników.
Na jednej ze ścian każdej komory spalania kotła jest zainstalowanych dziewięć palników w trzech rzędach. Warunkiem równomiernej produkcji pary wodnej jest możliwość nie tylko pracy palników z rozmaitymi wg tabel 1–2 nośnikami energii, ale również płynna (na pełnym ruchu kotła) zamiana jednego czynnika opałowego na inny. Jeśli palnik pracował na pozostałości z procesu HSC, to przed jego wygaszeniem trzeba rurociąg między jego kolektorem, a lancą palnikową przepłukać lżejszym, ciekłym nośnikiem energii.
Pozostałość po procesie „High Soaker Cracking” wykazuje większą zawartość azotu od typowego ciężkiego oleju opalowego, gatunek S. Aby zminimalizować tworzenie się NOx do granic poniżej obowiązującej normy na emisję powyższego, podjęto dwojakiego rodzaju działania:
Zoptymalizowano dodawanie powietrza w części płynącej z paliwem do lancy palnikowej, a w pozostałej ilości podawanej do komory paleniskowej.
Rozkład tlenków azotu przez dodatek amoniaku do spalin na katalizatorze do pary wodnej i wodnego azotu. Katalizator jest umieszczony na drodze przepływu spalin między ekonomizerem ciepła, a podgrzewaczem powietrza opalowego. Oryginalnością technologii zastosowanej w PCK - Schwedt jest fakt, że nie stosuje się tu drogiego, specjalnego katalizatora, który okresowo trzeba wymieniać, ale wykorzystuje się tlenki wanadu, które jako pył unoszą spaliny, gdyż związki tego metalu zawarte są w ciężkich pozostałościach z przerobu ropy (patrz tabela 1). Niestety proces nie biegnie selektywnie, gdyż na tym katalizatorze utlenia się częściowo SO2 do SO3, który w temperaturze poniżej kondensacji pary wodnej działa jako kwas siarkowy korodująco na elementy stalowej instalacji. Opanowano ten problem przez odpowiedni dobór geometrii materiału katalitycznego oraz jego okresowe przemywanie wg opatentowanej technologii. Katalizator rozkładu NOx do N2 oraz H2O jest teraz cyklicznie regenerowany. Usuwanie SO2 ze spalin odbywa się na drodze selektywnej absorbcji roztworem siarczanu sodu lub etanoloaminy w temperaturze 65 st. C, a który to roztwór - po ogrzaniu do 96 st. C - i przy obniżonym ciśnieniu desorbuje czysty dwutlenek siarki wg know-how Wellmann-Lord i rys. 3. Uzyskany czysty SO2 jest w PCK-Schwedt kierowany do instalacji Clausa do wytwarzania czystej siarki. Można jednak otrzymany dwutlenek siarki zmieszać z powietrzem i w temperaturze 450 st. C przepuścić przez katalizator V2O5. Następnie przeprowadza się chemisorbcję otrzymanego SO3 w rozcieńczonym kwasie siarkowym wg reakcji SO3 + H2O → H2SO4 przez co rośnie stężenie kwasu nawet do oleum.
Nowa elektrociepłownia jest w pełni zautomatyzowana. W centralnej sterowni jest 20.000 punktów z kontroli parametrów procesowych dla 1500 układów regulacyjnych oraz 1800 układów sterowniczych. W trakcie rozruchu sporo czasu poświęcono wyregulowaniu długości płomienia każdego z palników dla minimalizacji emisji NOx. Ostatecznie dopracowano się po kilku modyfikacjach lanc palnikowych powstawania do 650 mg NOx wraz ze 175 mg CO w m sześc. spalin.
Równolegle z optymalizacją geometrii lanc palnikowych mierzono emisje CO i NOx w zależności od obciążenia kotła (rys. 4) oraz od nadmiaru tlenu przy wydajności kotła na poziomie 620 ton pary godzinowo, co ilustruje rys. 5.
Wpływ nadmiaru tlenu w strefie spalania na tworzenie się tlenków azotu jest znaczny – przekraczający oczekiwania projektantów i trzeba było sporo czasu na zoptymalizowanie dodawania powietrza w części z paliwem do lanc palnikowych oraz ściśle określonych ilości do strefy spalania. Dziś elektrociepłownia spełnia wymagania Unii Europejskiej w zakresie emisji zanieczyszczeń i pyłów do atmosfery przy niezawodności eksploatacyjnej bloków energetycznych na poziomie 0,94%.
prof. zw. dr hab. Włodzimierz Kotowski
|
|
|
|
