|
Aktualności
|
|
Informacje
Numery
Numer 10/2006
Redukcja NOx do 200 mg/Nm3 – zgodnie z wytycznymi UE
|
|
|
Autor: opr. red.
|
Data publikacji: 04.10.2006 20:46
|
Roy Payne, David Moyeda, Marcus Scholz
Don Hartsock, Paul Stonkus, Randy Seeker, George Holoyda
GE Energy, Environmental Solutions
|
Opalane węglem elektrownie, pracujące w krajach Unii Europejskiej (EU) muszą produkować energię elektryczną w konkurencyjnych cenach i jednocześnie zapewniać niski poziom emisji NOx. Wymóg ten jest obecnie wprowadzany w życie poprzez rozporządzenia EU, które zaczną obowiązywać od 2008 roku. Celem niniejszego artykułu jest zaprezentowanie efektywnego kosztowo podejścia do spełnienia wymaganego poziomu emisji i wsparcia opalanych węglem elektrowni na zmieniającym się rynku energii. To efektywne kosztowo podejście polegające na idei zastosowania stopniowego i warstwowego kontrolowania poziomu emisji NOx jest alternatywą dla kosztownych instalacji, takich jak selektywna redukcja katalityczna.
Niniejsza publikacja dostarcza przykładów odnośnie do rezultatów osiągniętych na trzech kotłach opalanych węglem. Pierwszym przykładem jest kocioł Nr 8 w NRG Somerset Station. Jest to 120-megawatowa jednostka z narożnymi palnikami, pracująca na potrzeby produkcji energii elektrycznej. W kotle tym, „uzupełniające spalanie” (reburning) gazu zostało zintegrowane z istniejącą już instalacją niskoemisyjnych palników i technologią selektywnej, niekatalitycznej redukcji NOx (SNCR) w celu zredukowania emisji NOx do poziomu 130 mg/Nm3. Drugim przykładem są kotły Nr 1 i 2 w WKE’s Green Station. Są to dwie 250-MW, identyczne jednostki z palnikami umieszczonymi na przeciwległych ścianach komory paleniskowej. W kotłach tych, „uzupełniające spalanie” węgla zostało zintegrowane z instalacją niskoemisyjnych palników w celu zredukowania emisji NOx do poziomu 175 mg/Nm3.
W obydwu przedstawionych przypadkach osiągnięte poziomy emisji NOx były niższe niż wymagane przez dyrektywę Unii Europejskiej (Large Combustion Plant Directive – LCPD), która określa poziom emisji NOx na 200 mg/Nm3 począwszy od roku 2016. Jedną z korzyści przedstawionych rozwiązań jest fakt, że zastosowanie tzw. „warstwowego” kontrolowania emisji NOx może być wprowadzone w celu spełnienia pośrednich wymogów LCPD dla roku 2008, które są ustalone na poziomie 500 mg/Nm3, a kolejne metody “warstwowego” kontrolowania emisji mogą być wprowadzane później, w celu spełnienia poziomów emisji, które zaczną obowiązywać od roku 2016. Na przykład, w jednym z obecnie realizowanych projektów w Anglii wymogi roku 2008 zostaną spełnione w opalanej węglem 500 MWe elektrowni dzięki zastosowaniu stopniowego dostarczania powietrza poprzez oddzielne (dodatkowe) dysze SOFA – tzw. „Separated Overfire Air”. W celu spełnienia wymogów LCPD od roku 2016, inne technologie mogą być wprowadzane w terminie późniejszym.
Ze względu na wprowadzanie na świecie coraz bardziej restrykcyjnych wymogów dotyczących ochrony środowiska, elektrownie zawodowe i przemysłowe są zainteresowane technologiami redukującymi emisje NOx. Podczas gdy dostępne są liczne technologie pozwalające na redukcję NOx z kotłów opalanych węglem, tylko te technologie, które są najbardziej efektywne z punktu widzenia kosztów dla poszczególnych kotłów i wymaganych poziomów emisji powinny być stosowane.
Podstawowymi technologiami kontrolującymi poziom emisji NOx z instalacji opalanych węglem są:
-
Palniki niskoemisyjne (Low-NOX Burners - LNB)
-
Powietrze górne – dysze OFA (Overfire Air - OFA)
-
Uzupełniające spalanie (Reburning)
-
Selektywna, niekatalityczna redukcja (Selective Non-Catalytic Reduction - SNCR)
-
Selektywna, katalityczna redukcja (Selective Catalytic Reduction - SCR)
Palniki niskoemisyjne, dysze OFA i uzupełniające spalanie są technikami modyfikującymi spalanie i stosowanymi w komorze paleniskowej kotła. SNCR i SCR są technikami stosowanymi w stosunku do produktów spalania i są aplikowane na drodze przepływu spalin. Tablica 1 porównuje elementy wykorzystywane w każdej z technologii i ich wpływ na osiągane efekty, oraz porównanie kosztów z kosztami związanymi z instalacją palników niskoemisyjnych, których stosowanie ma zazwyczaj miejsce.
Technologie modyfikujące spalanie takie jak palniki niskoemisyjne i dysze OFA stopniują proces mieszania paliwa z powietrzem i redukują formowanie się NOx z komponentów paliwa zawierających azot. Technologie te są efektywne kosztowo i pozwalają na znaczną redukcję emisji NOx. Głównymi, niepożądanymi rezultatami wynikającymi ze stosowania opisywanych technologii są: zwiększona zawartość niespalonego węgla w popiele, zwiększona emisja tlenku węgla i mogący wystąpić negatywny wpływ na operacyjność i dyspozycyjność kotła. Dodatkowo, zwiększona korozja ścian szczelnych może pojawić się jako problem w kotłach spalających węgiel o wyższej zawartości siarki. Te negatywne wpływy mogą zostać zminimalizowane poprzez utrzymywanie prawidłowej pracy młynów, zastosowania nowych lub unowocześnienia sortowników młynowych, oraz zapewnienia prawidłowego zaprojektowania palników niskoemisyjnych i dysz OFA. Efektywne mieszanie powietrza górnego ze spalinami przepływającymi przez kocioł jest najistotniejszym elementem minimalizującym wpływ dysz OFA na pracę kotła. Jednorodna struktura mieszanki paliwowo powietrznej kierowanej do palników jest również istotna dla zminimalizowania wzrostu niespalonego węgla w popiele lotnym, emisji CO i korozji na ścianach szczelnych.
Uzupełniające spalanie (Reburning) jest zaawansowanym procesem kontrolującym emisję, w którym uzupełniające paliwo i powietrze do komory paleniskowej jest dawkowane na różnych poziomach i w taki sposób, który pozwala na głębszą redukcję NOx niż jest to możliwe przy zastosowaniu innych technik modyfikacji spalania. W procesie tym, paliwo jest wprowadzane do komory paleniskowej powyżej strefy palników głównych stwarzając strefę „bogatą w paliwo”, gdzie generowane podczas spalania NOx zostają zredukowane do molekularnej formy N2.
Za strefą „uzupełniającego spalania” wprowadzane jest powietrze, które zapewnia osiągnięcie normalnego, operacyjnego nadmiaru powietrza. „Uzupełniające spalanie” jest stosowane na świecie w kotłach o różnych konfiguracjach palników, włączając w to palniki narożne, naścienne i cyklonowe.
Szereg badań zostało przeprowadzanych w celu zapoznania się ze szczegółami procesu „uzupełniającego spalania” i określenia czynników wpływających na ten proces. Rezultaty tych badań wykazały, że najbardziej krytycznymi parametrami wpływającymi na efektywność procesu są: pierwotny poziom NOx, temperatura w strefie „uzupełniającego spalania” i czas pobytu spalin w tej strefie, oraz stechiometryczny skład spalin.
Generalnie można stwierdzić, że efektywność “uzupełniającego spalania” wzrasta przy wyższej koncentracji „pierwotnego NOx”, przy wyższej temperaturze w strefie i dłuższym czasie przebywania w niej spalin. Mieszanie „uzupełniającego paliwa” i górnego powietrza jest również bardzo ważnym elementem przy optymalizacji procesu na pełną skalę.
Wszystkie węglowodory mogą być stosowane w procesie „uzupełniającego spalania” włączając w to gaz ziemny, olej opałowy oraz węgiel. Wykres 1 porównuje osiągi ze spalania gazu ziemnego z osiągami ze spalania różnych gatunków węgla podczas testu pilotażowego przeprowadzanego z początkową koncentracją NOx na poziomie 400 ppm (około 640 mg/Nm3) przy użyciu obojętnego czynnika do transportu i dawkowania paliwa. Tak, jak pokazuje wykres niektóre węgle podbitumiczne i węgle brunatne w procesie „uzupełniającego spalania” zachowują się tak efektywnie jak gaz naturalny. Zachowanie się węgla jako paliwa do „uzupełniającego spalania” zależy od szeregu czynników, takich jak zawartość azotu w węglu, czy też zawartości części lotnych. Ogólnie można jednak stwierdzić, że pomimo, że „uzupełniające spalanie” jest droższe niż stosowanie górnego powietrza, dostarcza ono jednak głębszej redukcji NOx bez potrzeby pracy głównych palników w warunkach daleko posuniętego stopniowania spalania i z minimalnym wpływem na pracę kotła.
W przypadku technologii selektywnej, niekatalicznej redukcji (SNCR), substancje zawierające aminę takie jak amoniak czy mocznik dodawane są do gazów wylotowych. Wykres 2 pokazuje, że przy odpowiedniej temperaturze gazów wylotowych (około 1000 st. C), odczynnik selektywnie redukuje NO do postaci molekularnego N2. Ze wzrostem temperatury, redukcja NOx zmniejsza się i część odczynnika może się utlenić do NO.
W niższych temperaturach część odczynnika pozostaje niezmieniona i następuje ściekanie amoniaku. Jednym z wyzwań tego rozwiązania w przypadku kotłów w elektrowniach zawodowych jest fakt, że strefa optymalnej temperatury znajduje się zazwyczaj w ciągu konwekcyjnym kotła gdzie spadki temperatury spalin są znaczne i temperatura zmienia się w zależności od reżymu pracy kotła. Czynniki te powodują ściekanie amoniaku i ograniczają efekty, które mogą być osiągane przy stosowaniu selektywnej, niekatalitycznej redukcji (SNCR).
Technologia selektywnej, katalitycznej redukcji (SCR) pracuje w oparciu o wtrysk amoniaku do gazów wylotowych z kotła i reakcją amoniaku z NO ponad katalizatorem. Dla kotłów opalanych węglem, katalizator generalnie pracuje w temperaturze około 480 st. C. Temperatura ta zazwyczaj występuje w strefie w której umieszczony jest podgrzewacz wody. W przypadku wprowadzania technologii SCR w kotłach modernizowanych, gazy wylotowe przed podgrzewaczem powietrza są kierowane do katalizatora, a następnie po zredukowaniu NOx są kierowane do podgrzewacza powietrza. W celu uzyskania optymalnej pracy systemu.
|
|
|
|
