|
Aktualności
|
|
Informacje
Numery
Numer 10/2004
Elektrofiltry w energetyce. Do wymiany lub modernizacji
|
|
W artykule wykorzystano materiały towarzyszące VII Konferencji Naukowo-Technicznej „Elektrofiltry 2004” (Kraków, 16-18 września 2004), a w szczególności referat prof. dr. hab. inż. Henryka Szweda.
Od 2004 r. w Polsce obowiązują nowe standardy emisji pyłów do atmosfery. Bezpośrednim impulsem do ich wprowadzenia była akcesja Polski do Unii Europejskiej.
|
Wiele elektrowni i elektrociepłowni w ciągu kilku lat będzie musiało podjąć działania na rzecz redukcji emisji, polegające na modernizacji istniejących elektrofiltrów bądź budowie nowych, o wyższej skuteczności odpylania niż dotychczasowe. Emisja pyłu jest jednym z podstawowych kryteriów oceny uciążliwości ekologicznej obiektów energetycznych.
Nowe standardy emisyjne z dużych instalacji energetycznego spalania paliw wprowadzono rozporządzeniem ministra środowiska 4 sierpnia 2003 r. Dotyczą one m.in. emisji dwutlenku węgla, tlenku azotu i pyłów. W eksploatacji elektrofiltrów istotne są standardy emisji (stężeń) pyłów, warunki prowadzenia ciągłych pomiarów stężeń pyłów, a także warunki pracy instalacji w czasie usuwania awarii w elektrofiltrach, co precyzyjnie opisał ustawodawca.
Obowiązujące przepisy określają dopuszczalne wartości emisji pyłu w zależności od wieku i wielkości źródeł emisji. Instalacje spalania paliw w celach energetycznych podzielono na źródła istniejące, dla których pierwsze pozwolenie na budowę wydano przed 1 lipca 1987 r., oraz źródła nowe, tj. takie, dla których uzyskano zezwolenie na budowę po 30 czerwca 1987 r. Do końca 2005 r. (a w niektórych przypadkach do końca 2007 lub 2008 r.) standardy emisyjne są utrzymane na poziomie uwzględniającym możliwości techniczne i technologiczne źródeł. W latach 2006-2015 będą obowiązywać standardy emisyjne obniżone dwu, - trzy-, a nawet siedmiokrotnie.
Polskie standardy emisji pyłu, które od 2008 r. ulegną zdecydowanemu zaostrzeniu, będą zasadniczo zgodne z obowiązującymi obecnie standardami w Unii Europejskiej. Jednakże obecna norma unijna wynosząca 30 mg/m sześc. dla nowych obiektów, będzie stopniowo obniżana, np. w Niemczech za dwa lata wchodzi w życie standard 20 mg/m sześc.
Pierwsze badania i patenty związane z odpylaczami elektrostatycznymi, popularnie nazywanymi elektrofiltrami, pochodzą z początków XX w. Efektywny ich rozwój nastąpił w latach 70., pod wpływem zaostrzenia norm dotyczących czystości powietrza. Pojawiły się nowe rozwiązania konstrukcyjne i lepiej poznano teorię elektrostatycznego odpylania. Prace w kolejnych dekadach związane były nie tylko z uzyskaniem wysokiej skuteczności działania, ale także wysokiej niezawodności i dyspozycyjności tych urządzeń.
Aktualnie problemem jest usuwanie w elektrofiltrach ziaren pyłu o rozmiarach mniejszych od 2,5 m, które mają szczególnie szkodliwy wpływ na układ oddechowy człowieka. Mimo prac prowadzonych w tym kierunku w wielu ośrodkach naukowych na świecie nie zaproponowano dotąd rozwiązania, które zapewniłoby wystarczającą skuteczność w zakresie cząstek submikronowych i było możliwe do przemysłowego zastosowania.
Tysiące ton zanieczyszczeń mniej
Działania poprawiające skuteczność zainstalowanych elektrofiltrów w celu spełnienia zaostrzonych standardów emisji zmierzają generalnie w dwóch kierunkach: zmian konstrukcyjnych (poprzez zwiększenie gabarytów, zwiększenie podziałki, nowe rozwiązania układów zasilających, a w razie konieczności budowę nowego wysoko sprawnego elektrofiltru) oraz zmniejszenia rezystywności (oporności) popiołu. Popiół ze spalania polskich węgli jest wysokorezystywny – co najmniej jeden lub dwa rzędy wielkości większy od uznawanego za optymalny z punktu widzenia skuteczności odpylania.
W Polsce jest zainstalowanych ok. 600 średnich i dużych elektrofiltrów. Za średnie uważane są te, których natężenie przepływów odpylanych gazów mieści się w zakresie od 100 do 200 tys. m sześc./h, natomiast duże – powyżej 200 tys. m sześc./h. Największe obecnie pracujące w kraju elektrofiltry charakteryzują się natężeniem przepływu gazów na poziomie ok. 1 mln m sześc./h. Jest ich siedem, przy czym sześć pracuje do odpylania gazów technologicznych, a jeden wentylacyjnych. Przyjmując, iż średnio masa jednego elektrofiltru wynosi 400 t, sumaryczna masa konstrukcji tych urządzeń będzie wynosiła ok. 240 tys. t. Daje to wyobrażenie o ich skali. Szacunkowa ilość gazów, która jest odpylana przez te elektrofiltry, wynosi ok. 240 mln m sześc./h. Przyjmując średnie zapylenie odpylanych gazów w wysokości 15 g/m sześc., całkowita masa pyłu unoszona z procesów technologicznych wynosiłaby ok.3 600 t/h, to jest 86 400 t/dobę, czyli 31,54 mln t/rok.
Całkowita moc zainstalowanych w kraju urządzeń prądotwórczych to ok. 30 tys. MW. W 1999 r. moc pracujących agregatów wynosiła ok. 14,8 tys. MW. Zużycie węgla kamiennego na potrzeby energetyki wynosiło wówczas 51,5 mln t, zaś węgla brunatnego ok. 60 mln t. Zakładając średnią zawartość popiołu unoszącego się ze spalinami z węgla kamiennego w ilości 15 proc., a w przypadku węgla brunatnego 10 proc., masa pyłu unoszona ze spalinami dla węgla kamiennego będzie sięgać 7,7 mln t, dla węgla brunatnego 6,7 mln t. Łącznie daje to 14,4 mln t.
Dla zobrazowania tych wielkości wystarczy powiedzieć, iż z pyłu unoszonego tylko z zakładów energetycznych (a więc bez hutnictwa i cementowni), pracujących przy wykorzystaniu 50 proc. zainstalowanej mocy, można by uformować pociąg złożony z 240000 wagonów, przy czym jeden wagon ma pojemność 60 t. Taki pociąg liczyłby aż 3600 km. Współcześnie pracujące w przemyśle energetycznym elektrofiltry posiadają średnią, trwałą skuteczność odpylania na poziomie 99 proc. Ilość pyłu emitowana w 1999 r. przez wytwórców energii wynosiła 144 tys. t, dla których należałoby uformować pociąg złożony z 2400 wagonów o długości 36 km. Z tych liczb wynika, jak ważną funkcję w procesie ochrony atmosfery pełnią urządzenia odpylające, w tym elektrofiltry.
Elektrofiltr określano jako dobrze pracujący, jeśli stężenie pyłu w gazie emitowanym do atmosfery wynosiło 100 mg/m sześc. przy zawartości O2 w spalinach na poziomie 6 proc. Przy stężeniu zapylenia przed elektrofiltrem rzędu 15 g/m sześc. skuteczność odpylania powinna wynosić ok. 99,3 proc. Uzyskanie tak wysokich parametrów odpylania nie jest sprawą łatwą ze względu na fakt, iż procesy technologiczne, w których są zabudowane elektrofiltry, są niestabilne. Wpływ na ich pracę mają zmiany parametrów spalin i pyłów (temperatura, wilgotność, skład chemiczny, skład ziarnowy).
Elektrofiltry należą do urządzeń, w których zjawiska fizyczne, decydujące o pracy urządzenia, są bardzo złożone i obejmują szereg dyscyplin, takich jak m.in. elektrostatyka, mechanika areozoli, termodynamika, chemia. Wbrew pozorom, wynikającym z prostoty zasady działania elektrofiltru, polegającej na oddziaływaniu pola elektrycznego na naładowane ziarna pyłu lub rozpylonej cieczy, zjawiska zachodzące w komorze urządzenia są bardzo złożone, czego najlepszym potwierdzeniem jest fakt, iż dotąd nie powstał matematyczny model procesu odpylania w elektrofiltrze.
Średnie eksploatacyjne skuteczności już pracujących elektrofiltrów wynoszą 99 proc. lub nieco poniżej. Stężenie zapylenia w gazie odpylanym wynosi ok. 150 mg/m sześc. Jednak dla nowo budowanych elektrofiltrów dopuszczalne stężenie zapylenia w gazie jest poniżej 50 mg/m sześc., co odpowiada skuteczności ok. 99,6 proc.
W zależności od paliwa
Nie ma jednego uniwersalnego urządzenia odpylającego dla całej energetyki węglowej. Układ odpylający dobiera się pod kątem charakterystyki unoszonego areozolu, a ten z kolei zależy od rodzaju paliwa i konstrukcji kotła energetycznego, a w szczególności paleniska. Ze względu na rodzaj paleniska kotły parowe można podzielić na komorowe z paleniskiem pyłowym oraz warstwowe z rusztem ruchomym.
Energetyczny węgiel kamienny pochodzi z dwóch zagłębi węglowych: górnośląskiego i lubelskiego. Węgiel ten nie różni się wiele pod względem wartości opałowej, zawartości popiołu, wilgoci i siarki. Różnice występują natomiast w rodzaju substancji mineralnej. Części mineralne w węglu górnośląskim posiadają twarde skały zawierające piaskowce, natomiast węgiel z zagłębia lubelskiego posiada substancje mineralne o charakterze łupków ilastych, które po przejściu procesu termicznego w warunkach elektrofiltru wykazują dużą zdolność adhezyjną (przylegania) i do tworzenia się zlepów. Dlatego konstrukcja elektrofiltru nie może być identyczna dla obu tych węgli.
Inną cechą energetycznych węgli kamiennych jest zawartość siarki i sodu. Jeśli suma tych pierwiastków zawarta w węglu (siarka) i w popiele (sodu) jest większa od 2 proc., to pył osadzony w elektrofiltrze posiada rezystywność poniżej 1010 om cm. W takim przypadku nie ma większych problemów w uzyskaniu skuteczności powyżej 99 proc. w elektrofiltrach trzystrefowych. Gdy zaś suma siarki i sodu jest mniejsza niż 2 proc., pył wykazuje rezystywność powyżej 1011 om cm. Elektrofiltr dla uzyskania skuteczności przekraczającej 99 proc. wymaga już innej konstrukcji (czterostrefowy, o powiększonej podziałce itp.).
W przypadku spalania węgli wysokozasiarczonych (ok. 2 proc.) i stosowania technologii odsiarczania spalin, elektrofiltr przed odsiarczalnią może posiadać niższą (ok. 95 proc.) skuteczność odpylania. Elektrofiltr może być wówczas dwustrefowy, a część nakładów na przeznaczona na odpylanie może być przeniesiona na odsiarczanie spalin.
Charakterystyczną cechą węgli brunatnych jest ich duże zawilgocenie, wynoszące powyżej 20 proc. Pył z takiego paliwa posiada dobrą elektryczną przewodność powierzchniową i zdolność do koagulacji ziaren, będącej wynikiem sił kohezji (przyciągania się). Uzyskanie skuteczności odpylania w elektrofiltrach trzystrefowych powyżej 99 proc. nie nastręcza trudności. Problemem jest natomiast nadmierna chemiczna korozja części mechanicznej odpylacza.
W kotłach fluidalnych węgiel wprowadzany jest do paleniska o wymiarach 6-10 mm tworząc ruchome złoże. Podobnie jak w kotłach rusztowych powstały po spaleniu węgla pył jest gruby (ok. 67 proc. ma wymiary powyżej 60 um). Stosowanie dwustrefowych elektrofiltrów w tego typu ciągu technologicznym spełnia wymogi ochrony środowiska.
Ostatnio pojawiły się nowe - prócz energetyki, hutnictwa i przemysłu cementowego - źródła pylenia. Są nimi spalarnie odpadów komunalnych oraz kotły opalane biomasą. Odmienny charakter tych źródeł pylenia wymaga zastosowania odpowiednich rozwiązań konstrukcyjnych elektrofiltrów.
|
|
|
|
