ENERGIATERMELÉS, -ÁTALAKÍTÁS, -SZÁLLÍTÁS ÉS -SZOLGÁLTATÁS 2.1 1.6
A Lengyelországban bányászott lignitek alkalmazása újraégető tüzelőanyagként Tárgyszavak: NOx-emisszió csökkentése; újraégetés; lignit; elszenesített lignit; kalciumtartalom; részecskeméret.
A porított széntüzelésű kazánok jelentős NOx-emisszió-források, ezért a legtöbb országban ezen kazánok emissziójának határértékét és ellenőrzését törvényileg szabályozzák. Az NOx-emissziók csökkentésének hatékony és olcsó módja az égetési technológia módosítása. Ennek egyik lehetősége az ún. újraégető technológia alkalmazása, amely három lépcsőből áll: • az elsődleges égetési zóna (a szén elégetése) • az újraégető zóna (további hozzáadott tüzelőanyag elégetése az NOx vegyületek mennyiségének csökkentése érdekében) • a kiégetési zóna (a CO és a szén elégetése). Az újraégetés során hozzáadott tüzelőanyagként földgázt, olajat, porított szenet és biomasszát alkalmaznak. A széntüzelésű kazánokban a leggazdaságosabban alkalmazható újraégető tüzelőanyag a porított szén. Lengyelországban a villamosenergia-termelés során a leggyakrabban használt tüzelőanyag a lignit, amelyből évente erre a célra 66 M t kerül elégetésre. E cikk célja a lengyel lignit újraégető tüzelőanyagként való alkalmazási lehetőségének és hatékonyságának a vizsgálata. Megállapították, hogy a lignitfelhasználás hatékonysága összefüggést mutatott a lignit kalcium- és illóanyag-tartalmával. Az elszenesített lignit kevésbé hatékony újraégető tüzelőanyag, mint a lignit.
Kísérletek A vizsgálatok során 1,8 m hosszú, 0,05 m belső átmérőjű, elektromosan fűtött csőkemencét alkalmaztak. A füstgázt földgáz elégetésével állították elő, a földgáz/levegő arány SR1≈1,1 volt a kemence tetején. A sztöchiometriai arányt az újraégető zónában (SR2) a lignitbetáplálás sebessége, a gázfázisú reagensek áramlási sebessége (1,2 kg/h) és a füstgáz oxigénkoncentrációja
(2%) alapján határozták meg. Az 500 ppm NO koncentráció biztosítása érdekében a füstgázt nitrogénnel hígított NO-val dúsították. A nyers lignitet megőrölték, szárították és szitálták. Három méret szerinti frakciót – 160–100 µm, 100–80 µm és <80 µm – készítettek. A kemence tetején 0,2–1 g/perc sebességgel nitrogénárammal porított szenet fújtak be a füstgázba. 400 °C hőmérsékletű szekunder levegőt tápláltak be a kemence alján a CO elégetése érdekében. A porított szén tartózkodási ideje az újraégetési zónában 0,7–0,8 másodperc volt. Az újraégetést 1080 °C-on hajtották végre. Az NO, O2 és a CO koncentrációkat elektrokémiai elven működő on-line elemzővel, a CO2 koncentrációt infravörös gázelemzővel mérték. Az NO áramlási sebességét elektronikus áramlásmérővel, az egyéb anyagok áramlási sebességét rotaméterrel ellenőrizték. A hőmérsékletet a kemence aljától 30 cmre NiCr-Ni termoelempárral mérték.
Az alkalmazott szén és a lignit tulajdonságai A vizsgálatok során alkalmazott lengyel szén tulajdonságai az 1. táblázatban kerültek összefoglalásra. A szenet porított lignit elégetésével csöves kemencében nitrogénáramban 750–800 °C-on állították elő. A szén tulajdonságait a 2. táblázat foglalja össze. 1. táblázat A vizsgálatok során alkalmazott lignitek jellemzői A szén kitermelési helye Bełchatów Turoszów Adamów Koźmin
Gyors elemzés (%(m/m), száraz súly)
Elemanalízis (%(m/m))
nedvesség
hamu
illóanyag
szén
fűtőérték (kJ/kg)
C
H
N
S
11,6 7,0 14,5 13,2
17,8 10,9 8,5 12,7
47,4 52,3 55,2 50,1
34,8 36,8 36,3 37,2
16 298 18 612 15 808 16 167
69,8 56,3 64,8 66,2
7,0 5,9 7,2 7,2
0,9 0,3 0,9 1,0
1,5 0,8 0,8 0,6
2. táblázat A lignitből előállított szén elemanalízise A szén kitermelési helye Bełchatów Turoszów Adamów Koźmin
Elemanalízis (%(m/m)) C
H
N
CaO
85,9 87,5 91,9 84,4
3,0 3,0 4,0 3,5
1,5 1,4 1,4 1,4
39,3 1,5 33,8 29,3
A kapott eredmények ismertetése A vizsgálatok során használt lignitek hasonló kémiai szerkezete miatt csak a Turoszów bányából kitermelt lignit esetében vizsgálták a részecskeméretnek és az újraégetés sztöchiometriai viszonyainak a hatását az NOmennyiség csökkentésének hatásfokára (η). Az NO-mennyiségcsökkenés hatásfokának (η) alakulása az újraégető zóna sztöchiometriai viszonyainak a függvényében a három méretfrakció esetén az 1. ábrán látható. A hatásfok 60–80% volt SR2=0,75–0,9 sztöchiometriai arány esetén. A porított lignit részecskeméretének hatása nem volt döntő jelentőségű.
az NO-csökkentés hatásfoka, %
100 80
60
40 160+100 µm 20
100+80 µm < 80 µm
0 0,60
0,70
0,80
0,90
1,00
1,10
SR2 sztöchiometriai arány
1. ábra Az NO-csökkentés hatásfoka a Turoszów-ban bányászott lignit esetében az SR2 arány függvényében Az NO-csökkenés hatásfokának összehasonlítását a négy bányából kitermelt lignit esetében az újraégetés paramétereinek és az újraégető tüzelőanyag változtatásával hajtották végre. A 2. ábrán az η – SR2 összefüggés került bemutatásra, 1080 °C-on 160–100 µm részecskeméret mellett. A porított lignit alkalmazása esetén fellépő NO-csökkenés homo- és heterogén hatásainak az elválasztása érdekében vizsgálatokat végeztek elszenesített lignittel. A kapott eredményeket a 3. ábra szemlélteti (a vizsgálat hőmérséklete 1080 °C, részecske méret 160–100 µm volt).
méretfrakció: 60–100 µm 100 az NO-csökkentés hatásfoka, %
Belchatów Adamów
80
Kozmin Turoszów
60
40
20
0 0,70
0,80
0,90
1,00
1,10
SR2 sztöchiometriai arány
2. ábra Az NO-csökkentés hatásfoka a négy bányából kitermelt lignitfajták esetében az SR2 arány függvényében
méretfrakció: 160–100 µm
az NO-csökkentés hatásfoka, %
100
80
60 elszenesített lignit
40
Belchatów Adamów
20
Kozmin Turoszów
0 0,60
0,70
0,80
0,90
1,00
SR2 sztöchiometriai arány
3. ábra Az NO-csökkentés hatásfoka a lignitekből előállított szén esetében az SR2 arány függvényében
A vizsgálati eredmények értékelése A laboratóriumban végrehajtott vizsgálatok eredménye szerint a lengyel porított lignit az újraégetés során jól alkalmazható tüzelőanyag, ugyanakkor a lignitből készült szén kevésbé hatékony. Ennek oka, hogy a szén nitrogéntartalma jelentős mértékben hozzájárul az együttes NO emisszióhoz. Más vizsgálatokkal összehasonlítva a tartózkodási idő jelen esetben 3–4-szer nagyobb volt, a részecskeméret kisebb volt (a szén részecskemérete 160–100 µm), és volt egy kiégető zóna is. Ennek eredményeként a szénrészecskék csaknem teljesen elégtek. Figyelembe véve a szén nitrogéntartalmát és a füstgáz áramlási sebességét, a szén kiégése miatt az NO koncentráció 250 ppm értékre is nőhet. Hogy figyelembe vegyék a lignit illóanyag-tartalmának a hatását az NO mennyiségének a csökkenésére, kísérleteket végeztek a turoszów-i bányából származó, részlegesen kiégetett lignittel. A kapott eredmények szerint a nagyobb illóanyag-tartalmú lignitek jobb újraégető tüzelőanyagok (4. ábra). méretfrakció: 160–100 µm 100 az NO-csökkentés hatásfoka, %
kitermelt lignit 17% elszenesített lignit
80
25% elszenesített lignit 30% elszenesített lignit
60
45% elszenesített lignit
40
20 0 0,60
0,70
0,80
0,90
1,00
1,10
SR2 sztöchiometriai arány
4. ábra Az NO-csökkentés hatásfoka a Turoszów-ban bányászott lignit esetében az SR2 arány függvényében Jelentős különbséget tapasztaltak az NO-csökkenés hatásfokában a lignit kitermelési helyének függvényében. A lengyel lignitek, mint újraégető tüzelőanyagok hatásfok szerinti rangsora az alábbi: Belchatów>Adamów≥Koźmin>Turoszów
Az η értéke kevésbé változott, ha lignitből előállított szenet használtak lignit helyett, a rangsor azonban ekkor is azonos volt a lignitre megállapított rangsorral (3. ábra). A lignit újraégető tüzelőanyagként való alkalmazhatósága a Ca-tartalom függvénye. A kálcium ugyanis katalitikusan aktív a szén NO-tartalmának csökkentésében és az N2 képződés elősegítésében. A folyamat a lignitben található heterociklusos nitrogén szilárd fázisú reakciójában zajlik. Ezért az NO-csökkentés hatásfoka nőtt a lignit Ca-tartalmának növekedésével. A kis Ca-tartalmú turoszówi szén volt a legkevésbé hatásos újraégető tüzelőanyag (2. és 3. ábrák). (Regősné Knoska Judit) Hardy, T.; Kordylewski, W.: Effectiveness of Polish lignites as reburn fuels. = Fuel, 81. k. 6. sz. 2002. ápr. p. 837–840. Wang, F.; Wang, X. J. stb.: The research on the estimation for the NOx emissive concentration of the pulverized coal boiler by the flame image processing technique. = Fuel, 81. k. 16. sz. 2002. nov. p. 2113–2120.
