SPOLUSPALOVÁNÍ TUHÉHO ALTERNATIVNÍHO PALIVA VE STANDARDNÍCH ENERGETICKÝCH JEDNOTKÁCH Teplárenské dny 2015 Hradec Králové
J. Hyžík STEO, Praha, E.I.C. spol. s r.o., Praha, EIC AG, Baden (CH), TU v Liberci,
[email protected] www.eiconsult.eu
• • • • • • • •
Obsah Legislativní rámec spoluspalování Emise a emisní limity Kotle pro spaliny s obsahem chloru Oblast vysokoteplotní chlorové koroze Charakteristika paliv Průběh teploty spalin standardní energetické jednotky Koncentrace Cl při spoluspalování TAP ‐ Výsledky modelových výpočtů Závěr
Legislativní rámec spoluspalování Pro stacionární zdroje tepelně zpracovávající odpad společně s palivem, jiné než spalovny odpadu a cementářské rotační pece vydalo MŽP metodický pokyn ke způsobu stanovení specifických emisních limitů. Metodický pokyn je aplikací bodu 2. 2. části I přílohy č. 4 vyhlášky č. 415/2012 Sb. o přípustné úrovni znečišťování ovzduší a jejím zjišťování(415/2012 Sb.) Jeho účelem je upřesnit způsob stanovení specifických emisních limitů pro tzv. spoluspalování odpadu nebo paliv z odpadů (tuhá alternativní paliva „TAP“), a to jednotně jak pro odpad, tak i pro alternativní paliva TAP. Metodický pokyn uvádí, že emisní limity pro spalovací stacionární zdroje tepelně zpracovávající odpad pro dané znečišťující látky jsou stanoveny jako denní průměry, a tedy i další hodnoty jsou vztaženy k denním průměrům.
Způsob výpočtu Hodnoty emisních limitů se vypočtou podle známé směšovací rovnice:
Vodpad Codpad (Vproc Cproc) C Vodpad Vproc
Vodpad: Objem odpadního plynu vzniklého spalováním pouze odpadu. Codpad: Mezní hodnoty emisí pro zařízení na spalování odpadu. Vproc: Objem odpadního plynu vzniklého spalováním pouze paliva. Cproc: Mezní hodnoty emisí pro zařízení na spalování paliva. Jestliže ani tyto mezní hodnoty emisí nejsou stanoveny, použijí se skutečné hmotnostní koncentrace. (Dle směrnice EU 2010/75/ ze dne 24. listopadu 2010 o průmyslových emisích.) Metodika výpočtu objemu spalin a přepočtu hodnot na dané koncentrace kyslíku používá stechiometrickou teorii spalovacího procesu.
Emise Emisní limity pro stacionární zdroje, vztažené na normální stavové podmínky, suchý plyn a referenční obsah kyslíku 6 % Emisní limity pro stacionární zdroje Emise TZL NOx SO2 CO
Rozměr (mg/Nm3) (mg/Nm3) (mg/Nm3) (mg/Nm3)
Současný limit Limit od 01.01.2016 50 20 400 200 500 200 250 ?
Emisní limity pro znečišťující látky při spoluspalování odpadů Znečišťující látky TZL (mg/Nm3) NOx (mg/Nm3) SO2 (mg/Nm3) TOC (mg/Nm3) CO (mg/Nm3) HCl (mg/Nm3) HF (mg/Nm3)
Cproc*) 20 200 200 20 50 50 0,4
Codpad 10 200 50 10 50 10 1
C(ref. O2 6,52%) C(ref. O2 6%) Emisní limit 18,96 20 200 207 184,39 191 18,96 20 50 52 45,84 47 1 1
*) Uvedené mezní hodnoty byly převzaty z příkladu v metodickém pokynu MŽP. V případě HCl může být reálná koncentrace (Cproc) cca do 70 mg/Nm3, což by mělo za následek zvýšení emisního limitu na hodnotu cca 65 mg/Nm3. Tato hodnota by byla během reálného spoluspalovacího provozu rovněž neustále překračována.
Emisní limity pro znečišťující látky zjišťované primárně jednorázovým měřením Znečišťující látky Emisní limit Cd+Tl a jejich sloučeniny (mg/Nm3) 0,05 Hg a její sloučeniny (mg/Nm3) 0,05 0,5 Sb+As+Pb+Cr+Co+Cu+Mn+Ni+V a jejich sloučeniny (mg/Nm3) 0,1 PCDD/F (ng TEQ/Nm3) Uvedené emisní limity zřetelně ukazují, že i bez spoluspalování TAP lze očekávat nutnost zavedení minimálně primárních opatření pro dosažení nově platných emisních limitů. Lze očekávat zvýšené náklady na aditiva a snížení celkové účinnosti kotle. Tyto náklady budou umocněny spoluspalováním TAP. Výše uvedené skutečnosti (přepočtené emisní limity a doplnění kontinuálního měření) již v této fázi (legislativní podmínky) ve své podstatě spoluspalování TAP diskvalifikují, a to bez ohledu na nutně vynaložené investiční náklady včetně provozních rizik. Ze stanovených emisních limitů (přepočtených a převzatých pro jednorázová měření) jednotlivých škodlivin lze konstatovat, že zejména docílení limitních emisních hodnot pro Hg a PCDD/PCDF je bez sekundárních opatření čištění spalin s velkou pravděpodobností nereálné.
Kotle pro spaliny s obsahem chloru Kotle s integrovaným spalováním odpadů se navrhují zcela jinak než klasické elektrárenské či teplárenské kotle. Teplota přehřáté páry se většinou volí 400 °C, teplota spalin před vstupem do konvekčních ploch kotle se volí max. 650 °C, přehříváku se předřazuje výparník. Po době pokusů a omylů byly jasně stanoveny limity jak pro teploty spalin vstupujících do oblastí konvekčních ploch, tak parametry přehřáté páry na výstupu z přehříváku. Výše uvedené parametry se sjednotily na následně uvedených limitních hodnotách: Teplota spalin na vstupu do oblasti konvekčních ploch 650 – 680 °C Výstupní teplota přehřáté páry 400 – 450 °C Výstupní tlak přehřáté páry 4,0 – 4,2 MPa Výstupní teplota spalin 140 – 270 °C Vstupní teplota napájecí vody 105 – 135 °C
1200
teplota spalin [°C]
1000
OBLAST KOROZE
800 PŘECHODOVÁ OBLAST
600
400 100
OBLAST BEZ KOROZE
300 400 teplota povrchu teplosměnné plochy [°C]
500
Oblast vysokoteplotní chlorové koroze Z výše uvedeného obrázku je zřejmé, že při standardních teplotních poměrech teplárenského kotle (teplotě povrchu přehříváku kolem 550 °C a teplotě proudících spalin 860 °C) je jednoznačně naplněna podmínka jejího vzniku, a je pouze otázka času a koncentrace chloru ve spalinách, kdy dojde k havárii teplosměnné plochy a tím k neplánovaným odstávkám, ke snižování fondu provozní doby a ke zvyšování fondu oprav. Stanovený výpočtový model vychází z tepelného výkonu 100 MW při následujícím režimu spoluspalování hnědého uhlí, biomasy a TAP: • 14 100 kg/h hnědého uhlí s výhřevností 17 MJ/kg = 66,6 MW • 6 000 kg/h biomasy s výhřevností 15 MJ/kg – 25 MW • 2 000 kg/h TAP s výhřevností 15 MJ/kg – 8,4 MW Při cca 8% podílu spoluspalování TAP lze počítat s koncentracemi chloru ve spalinách do cca 300 mg/Nm3, což je téměř na úrovni spalin z energetického využívání odpadu. (Koncentrace chloru ve spalinách ze spalování odpadů se pohybují od cca 300 do cca 800 (1000) mg/Nm3.)
Rozdělení teplot ve II. tahu kotle
Charakteristika spalovaného paliva Hnědé uhlí Obsah vody v [%] Popel v bezvodém vzorku [%] HD [%] CD [%] SD celk. [%] ND [ %] OD [ %] ClD max. [%] Dehet [%] HgD max. [mg/kg suš.] Výhřevnost min. [MJ/kg]
30,2 9,8 5,45 71,4 1,1 0,89 22 0,01 15,6 0,15 16,5
Biomasa Obsah vody v [%] Popel v bezvodém vzorku [%] H [%] C [%] S [%] N [%] O [%] Cl max. [%] Dehet [%] Výhřevnost [MJ/kg]
10,3 7,8 ... … … … … 0,3 … 15
Tuhé alternativní palivo‐TAP Peletizovaná forma s následnou granulometrií a sypnou hmotností: Průměr 5 – 12 mm Max. délka 50 mm Max. obsah prachu [%] 20 Sypná hmotnost TAP 500 – 700 kg/m3 Obsah vody max. [%] 14 Obsah popele max. [%] 9 % S max. [%] 0,5 Cl max. [%] 0,25 F max.[mg/kg suš.] 50 Hg +Cd max. [mg/kg suš.] 5 TI max. [mg/kg suš.] 5 Pb max. [mg/kg suš.] 50 Ni max. [mg/kg suš.] 40 Cu max. [mg/kg suš.] 100 Cr max. [mg/kg suš.] 5 As max. [mg/kg suš.] 5 PCB max. [mg/kg] 15 Výhřevnost min. [MJ/kg] 15
Chemické složení a mechanické vlastnosti použitých konstrukčních materiálů Celý tlakový systém parního kotle je vyroben z žárupevných a žáruvzdorných nízkolegovaných oceli třídy 15. Určujícím prvkem chemické odolnosti za vysokých teplot je obsah chromu. Protože se jedná o oceli s obsahem chromu do 1,5 %, nelze tyto oceli považovat za odolné chlorové korozi. Z grafu je zřejmé, že zvýšené odolnosti vůči chlorové korozi lze zaznamenat u materiálů s obsahem chromu větším jak 25 %.
Výsledky modelových výpočtů obsahu chloru ve spalinách Cílem modelových výpočtů je pak spalování směsi hnědé uhlí + biomasa + TAP na stejné úrovni tepelného výkonu. Množství spáleného TAP za hodinu v jednom kotli bylo vedeno úvahou o potřebě spálit před‐ pokládané smluvní množství TAP ročně (30 000 t) a fondem provozní doby (dle provozních údajů cca 320 dní) energetických kotlů. Množství spalovaného TAP bylo stanoveno na 2 000 kg za hodinu (cca 8 % tepelného výkonu kotle) v jednom kotli. TAP pak ve směsi bylo uvažováno jako náhrada hnědého uhlí. Daný provozní příklad spoluspalování Palivo Hnědé uhlí Biomasa TAP
Množství (kg/h) 14 100 6 000 2 000
Výhřevnost (MJ/kg) 17 15 15
Obsah Cl (%) 0,01 0,15 0,25
Při uvedeném poměru hnědé uhlí, biomasa a TAP (HU‐14 100 kg + BIO‐6 000 kg + TAP‐ 2 000 kg) je výsledný obsah chloru ve spalinách 124 mg/Nm3. Z praxe je však známé, že obsah Cl v TAP se běžně pohybuje od 0,5 – 1,5 % a více. Následný graf pak prezentuje nárůst koncentrace Cl ve spalinách při zvyšujícím se obsahu Cl v TAP. Koncentrace chloru ve spalinách v závislosti na obsahu Cl v TAP
350
Koncentrace Cl ve spalinách [mg/Nm3]
305 300 268,8 250
232,6
196,4
200 160,2 150 124
100
50
0 0,25
0,5
0,75
Obsah Cl v TAP [%]
1
1,25
1,5
1,75
Koncentrace Cl ve spalinách ve výši 2000 mg/Nm3 odpovídá koncentraci Cl v palivu (TAP) ve výši cca 1,1 %
Obecný provozní příklad spoluspalování 92% HU 8% TAP Palivo Hnědé uhlí TAP
Množství (kg/h) 22841 1986
Výhřevnost (MJ/kg) 14,5 14,5
Obsah Cl (%) ≤0,02 0,25
Při uvedeném poměru hnědé uhlí a TAP (HU‐ 22 841 kg + TAP‐ 1986kg) je výsledný obsah chloru ve spalinách 74 mg/Nm3. Následný graf pak prezentuje nárůst koncentrace Cl ve spalinách při zvyšujícím se obsahu Cl.
Koncentrace chloru ve spalinách v závislosti na obsahu Cl v TAP 400
Koncentrace Cl ve spalinách [mg/Nm3]
350
335
292
300
248 250
204 200 161 150 117 100 74
50
0 0,25
0,5
0,75
1
Obsah Cl v TAP [%]
1,25
1,5
1,75
Po přepočtu emisních limitů jednotlivých škodlivin obsažených ve spalinách lze konstatovat, že emisní limit TZL oproti spalování odpadu navýší 2x, limit NOx se nepatrně navýší, limit SO2 se navýší zhruba 4x, limit TOC se navýší 2x, emisní limit CO zůstane na stejné úrovni, limit HCl se navýší 5x a limit HF zůstane na stejné úrovni. Ostatní emisní limity zůstanou na úrovni platné pro spalovny komunálních odpadů a zdánlivě by měl být problém vyřešen. Bez ohledu na to, že při dodržení „spoluspalovacích“ emisních limitů si málokdo uvědomí, že „legalizace“ spoluspalování TAP je pouze zahalená v přepočtu koncentrací jednotlivých škodlivin ve spalinách. Jednoznačně platí, že spoluspalování TAP je pouze snaha o zastřené spalování odpadů bez čištění spalin, tedy, že veškeré škodliviny obsažené v TAP budou ve své absolutní hodnotě emitovány do ovzduší.
Závěr 1. Emisní limity spoluspalovacího režimu při deklarovaném podílu spalování TAP, nebude možné bez dalších sekundárních opatření (instalace vhodného systému čištění spalin k omezování emisí HCl, HF, případně těžkých kovů) dodržet. 2. Již při deklarovaném obsahu chloru v TAP (0,25 %) lze očekávat jeho koncentrace ve spalinách v hodnotě desítek mg Cl/Nm3 . Tím se bude zvyšovat riziko vysokoteplotní chlorové koroze, která napadá teplosměnné plochy trubkových systémů přehříváků. Při standardních teplotních poměrech teplárenského kotle (teplotě povrchu přehříváku kolem 550 °C a teplotě proudících spalin 860 °C) je jednoznačně naplněna podmínka vzniku vysokoteplotní chlorové koroze, a je pouze otázka času a koncentrace chloru ve spalinách, kdy dojde k havárii teplosměnné plochy, a tím k neplánovaným odstávkám a snížení fondu provozní doby. Orientačně lze výměnu přehříváků uvažovat jednou za rok až jednou za čtyři roky. Při obsahu chloru v TAP ve výši 1,5 % by se jeho koncentrace ve spalinách navýšila na hodnoty kolem 300 mg Cl/Nm3 , což by téměř odpovídalo složení spalin z energetického využívání odpadů.
Děkuji za pozornost
