Sekundární Metody Snižování Emisí NOx

Práce je zaměřena na hledání možného řešení redukce emisí oxidů dusíku (NOx) ve spalovacím procesu a způsobu jeho řízení na energetickém zařízení tepelného zdroje FK31 spalující fosilní paliva. Součástí práce je teoretická studie kombinovaná s praktickými poznatky v oblasti řízeného snižování produkce emisí oxidů dusíku.

V první části je provedeno stručné seznámení se s vlivy oxidů dusíku na člověka, životní prostředí, emisní situací a nově platnými emisními limity v České republice. Jsou zde popsány palivové vlastnosti mající vliv na emise oxidu dusíku a mechanismy vzniku oxidů dusíku při spalování. Tato část je také zaměřena na metody ve snižování emisí oxidu dusíku a popisuje nejnovější způsoby jeho monitorování a řízení.

Ve druhé části jsou specifikovány návrhy možných způsobů řešení vedoucí k dosažení nízké produkce oxidů dusíku na stávajícím technologickém zařízení tepelného zdroje FK31. K zamezení vzniku oxidů dusíku (NOX) během procesu hoření posuzuji možnosti vlivu primárních opatření (např. o přípravu paliva a podmínky spalovacího procesu) a sekundární opatření, které spočívá v chemickém odstranění již vzniklých NOX ze spalin. Důraz je zde kladen zejména na metody redukce emisí oxidů dusíku prostřednictvím technologie selektivní nekatalytické redukce (SNCR) při spalování.

Emise NOx a Legislativa

Oxidy dusíku v energetických zaříze­ních vznikají při spalování paliv. Jsou uvá­děny pod pojmem NOx, který obvykle vy­jadřuje jejich koncentrace v přepočtu na oxid dusičitý NO2.

Ochrana ovzduší je v České republice řešena zákonem č. 86/2002, v rámci Evropské Unie opatře­ním 2001/80/EC. Podle tohoto zákona pro spalovací zdroje platí emisní limity pro tuhé látky, oxid siřičitý, oxid uhelnatý a pro oxidy dusíku. Limity jsou rozděleny do tří skupin - A, B, C. V jednotlivých skupinách jsou pak limity rozděleny podle typů spa­lovacích kotlů a jejich výkonů.

Čtěte také: Opatření pro ochranu ovzduší

Platnost současných limitů (skupiny A) skončila 31. 12. 2007. Limity skupiny B platné od 1. 1. 2008 stanovují pro NOx limit 600 mg/m3 pro energetická zařízení o cel­kovém výkonu nad 100 MW na pevná pa­liva a biomasu. Pro kotle na kapalná paliva jsou tyto limity 450 mg/m3. Pro nové zdro­je a rekonstrukce povolené od 1. 1. 2003 platí emisní limity skupiny C, které stanoví mezní hodnoty emisí pro kotle na pevná a kapal­ná paliva uvedeného výkonu na 200 mg/m3.

Energetická zařízení výše uvedených výkonů v České republice byla uvedena do provozu před více než 20 lety a stojí před velkými rekonstrukcemi, jejichž cílem bude zabezpečit splnění limitů C. Podobná situace je i Evropě, kde podstat­ná část elektráren je již provozována 20 až 30 let. Na modernizovaná zařízení platí z hlediska emisí podmínky jako na zaříze­ní nová. Pokud energetická zařízení nebudou emisní limity ke stanoveným datům splňo­vat, musí svůj provoz ukončit k zákonem stanovenému termínu.

Dostatečně účin­ným řešením nemusí být použití „nízko­emisních“ hořáků, které v podstatě vhod­nějším způsobem připravují hořlavou směs ke spálení z hlediska tvorby NOx, pro­storové řízení důležitých technologických veličin kotle však nezjednodušuje. Cestou ke splnění těchto tvrdých po­žadavků je použití pokročilé nízkonákla­dové technologie na omezení emisí NOx, která je prezentována v tomto referátu. Jejím cílem je zvýšit účinnost používaných primárních a sekundárních opatření efek­tivním řízením spalování a tuto zvýšenou účinnost zajistit při minimálních investič­ních a provozních nákladech.

Technická Opatření ke Snížení Emisí NOx

Technická opatření k omezení emisí oxidů dusíku jsou založena na dalším zdo­konalení primárních opatření a na opti­malizaci souběžně probíhajících primár­ních a sekundárních opatření. Zdokonalení primárních opatření se opírá zejména o potlačení negativních vlivů teplotních výkyvů a nesymetrií spalování ve spalova­cí komoře na tvorbu NOx. Zdokonalení se­kundárních opatření je v podrobném vý­zkumu vlastností různých metod a růz­ných typů katalyzátorů pro podmínky po­užití českého hnědého uhlí. Zajištění opti­mální součinnosti primárních a sekundár­ních opatření je založeno na řízení spalo­vání, umožňujícím minimalizaci tvorby emisí a optimalizaci účinnosti reakcí se­kundárních opatření dle možností kon­krétního kotle.

Technická opatření k omezení emisí dusíku vyvíjená v I&C Energo ve spoluprá­ci s ČVUT Praha jsou nízkonákladová. Běžným způsobem prováděná validace dat měřených na kotli nezajišťuje podmín­ky pro řízení kotle z hlediska přísných poža­davků na hodnoty jeho výstupních veličin. Zpravidla validace měřených dat je omeze­na na provádění kalibrace důležitých čidel používaných pro regulaci, čidel důležitých pro vyhodnocování emisí na výstupu z kotle (plnění legislativních norem). Dále na měření přesnosti přenosových tras sig­nálů za převodníky z čidel. Přesnost celých měřicích řetězců většinou zjišťována není.

Čtěte také: Co jsou primární a sekundární emise?

Mnohé veličiny důležité pro vyhodnocová­ní produkce emisí, efektivnosti spalování, provozu kotle nejsou měřeny vůbec. Při vyhodnocování měření není zpra­vidla kontrolováno, zda měřené vstupní a výstupní veličiny jsou vzájemně konsis­tentní, tj. že si vzájemně odpovídají podle platných fyzikálních zákonů, kterými se procesy spalování v kotli řídí. Špatné nebo chybné měření předem vylučuje úspěšné použití optimalizačních metod.

Pro validaci měřených dat v rámci projektu je používána metoda „vyrovnání dat“. Známé modely kotlů používané na pracovištích v České republice jsou určeny pro dimenzování, případně v nových ver­zích pro určení vlivu změněných kon­strukčních podmínek resp. použití jiného paliva na vlastnosti kotle. Tyto modely pra­cují s „ustředěnými“ hodnotami technolo­gických veličin (teploty, rychlosti, tlaky) po řezech spalovací komorou kolmých na směr proudění spalin.

Matematický model pro stanovení říze­ní spalování proto tento předpoklad neob­sahuje. Spalovací komora je po průřezu roz­dělena na nastavitelný počet segmentů, v nichž jsou technologické veličiny počítá­ny. Z těchto hodnot lze pak stanovit rozlo­žení technologických veličin, které je blízké rozložení prostorovému (tj. skutečnému). Naladění modelu bude prováděno automatizovaně použitím provozních zá­znamů kotle při různých výkonových a provozních podmínkách, resp. záznamů speciálních. Přitom naladění bude moci být prováděno průběžně po uplynutí urči­tých časových intervalů, aby bylo možno zohlednit pomalé degradační jevy nebo čištění kotle, atd.

V rámci vývoje tohoto modelu je pro určité kontrolní výpočty používán program FLUENT. Sám program FLUENT nemá po­třebné vlastnosti k jejich využití pro řízení procesů spalování (velmi malá rychlost vý­počtu, problematika nalaďování modelu na měření, kvantifikace neurčitostí a další).

Primární a Sekundární Opatření

Primární opatření jsou v současné době na elektrárnách používána k omeze­ní emisí NOx na úroveň platných limitů. Jsou převážně založena na distribuova­ném přívodu vzduchu (zejména sekundár­ního, jádrového vzduchu) na různých mís­tech do spalovací komory, na snížení pře­bytku vzduchu a na snížení teplot v ohniš­ti. Tato opatření však nestačí na bezpečné a trvalé udržení hodnot emisí pod 200 mg/m3. Současné dosažitelné úrovně emisí po za­vedení primárních opatření podle znalostí předkladatele projektu jsou cca 400 mg/m3. Některé elektrárny mohou však mít prob­lémy i s dosažením limitu 600 mg/m3.

Čtěte také: Dopad primárních a sekundárních emisí

Vývojový trend ve světě, spočívající v kombinovaném použití primárních opa­tření spolu s opatřeními sekundárními v optimalizované konfiguraci, umožňuje dosáhnout minimální tvorbu těchto emisí, optimalizovat podmínky, při nichž dochá­zí k chemickým reakcím, snížit spotřebu chemikálií a vyloučit vypouštění i v malém množství „nezreagované“ chemikálie do ovzduší. V konečném důsledku pak umož­ňuje nízkonákladový provoz dosažení úrovně limitů podle požadavků zákona.

Využití matematického modelu je ná­stroj ke zdokonalení primárních opatření a optimalizaci souběžně probíhajících pri­márních a sekundárních opatření. Zdoko­nalení primárních opatření je v potlačení negativních vlivů teplotních rozdílů a ne­symetrií spalování ve spalovací komoře na tvorbu NOx. Pomocí matematického modelu, umožňujícího prostorové modelování, budou stanoveny charakteristiky vlivu jed­notlivých řídicích orgánů nebo skupin akč­ních orgánů na výstupní veličiny spalovací komory. Na jejich základě pak budou sta­noveny a ověřeny řídicí algoritmy pro říze­ní teplotních a emisních nerovnoměrností.

Na obr. 1 je pro ilustraci uvedeno pří­slušné blokové schéma řízení kotle. V jeho levé části je znázorněna řízená soustava a v pravé části jednotlivé řídicí obvody. Nové obvody, které plní popsané funkce z hlediska řízení spalování, jsou označeny tučně. Tyto obvody pak působí na řízení vzduchů do spalovací komory. Obr. Řízení parního výkonu kotle je na tomto obrázku znázorněno ve formě apli­kované na pilotní elektrárně Opatovice.

Změna tlaku páry při změně výkonu turbi­ny vede ke změně množství primárního vzduchu, jeho změna po změně tlaku vzduchu ke změně množství vzduchu na­sávaného. Změna množství primárního vzduchu vede ke změně proudů do mlýnů a ta ke změně množství podávaného pali­va. Změna množství odebírané páry vede ke změně hladiny v bubnu a od této změny ke změně množství napájecí vody. Tímto postupem jsou energetické a hmo­tové bilance při změnách výkonu uváděny do souladu.

Novými prvky jsou bloky zná­zorněné v horní části obrázku. Jejich funk­cí je řídit rovnoměrné rozložení teplot spa­lin a kyslíku v horní části spalovací komory a kontrolovat bilanci vzduchu z hlediska jeho přebytku. Požadovanými novými vstupními hodnotami jsou proto koncentrace kyslíku na levé a pravé straně na výstupu ze spa­lovací komory a na výstupu z kotle (odpo­vídá komínové ztrátě), rozložení teplot spalin na výstupu ze spalovací komory, koncentrace NOx na výstupu ze spalovací komory koncentrace emisí NOx a teploty na výstupu ze spalovací komory. Žádané hodnoty teplot v horní části spalovací komory jsou v závislosti na výstupním kyslíku (očekávané komínové ztrátě), emisích NOx a na vlastnostech paliva. V případě vstupních veličin, které jsou řízeny regulátory, je jejich vazba reguláto­ry (bloky Wr v dvojitém rámečku) označe­na zakroužkovanou číslicí.

Vstupy jsou jádrový vzduch do čtyř ho­řáků (JV), sekundární vzduch ke čtyřem hořákům (SV), dohořívací vzduch pro levou a pravou stranu (DV), studený vzduch (StV), množství nasávaného vzdu­chu (Mnv), součet primárního vzduchu (suma PV), množství paliva (mpal), množ­ství falešného vzduchu (FV - levá, pravá strana mezi měřicími místy kyslíku), teplo­ta nasávaného vzduchu (Tvzd), množství napájecí vody (Mnv).

Výstupy jsou všechny regulované vý­stupní veličiny kotle a dále účinnost kotle a veličiny určující rovnoměrnost teplotní­ho a kyslíkového pole v horní části spalo­vací komory. Sekundární opatření jsou dodatečným spolehlivým opatřením ke snížení emisí na potřebnou úroveň. Tato opatření předsta­vují zavedení skupiny chemických procesů v kotli, při které dochází k destrukci již vzniklých NOx ve spalinách aplikací che­mických procesů. Používaná sekundární opatření jsou založena selektivní katalytické reakci a se­lektivní nekatalytické reakci.

Selektivní Katalytická a Nekatalytická Reakce

Selektivní katalytická reakce má účinnost redukce NOx 80-90 %. Vyžaduje přítomnost katalyzátoru, reakce probíhá při teplotách 250-450 °C. Elektrická spotřeba pro tuto me­todu je cca 0,5 % vyrobené energie, tlakový spád na katalyzátoru je cca 0,4-1 kPa. Životnost katalyzátoru je 6-10 let, množství nezreagované látky je menší než 5 mg/m3.

Selektivní nekatalytická reakce má účinnost redukce NOx 30-50 %. Nevyžaduje přítomnost katalyzátoru, rekce probíhá při teplotách 850-1.050 °C. Elektrická spotře­ba pro tuto metodu je 0,1-0,3 % vyrobené energie, množství nezreagované látky je menší než 10 mg/Nm3. Doba setrvání v uvedeném teplotním rozsahu pro reakci je 0,2-0,5 s. Obdobné zkušenosti jsou i v zahraničí, kde jsou převážně využívány reakce za po­užití NH3. Tyto chemické procesy spolehli­vě zajišťují snížení emisí NOx pod 200 mg/m3.

Zatímco použití primárních opatření je nízkonákladové (nízké investič­ní náklady na modifikace a prakticky bez zvýšení provozních nákladů), sekundární opatření přestavují již náklady, které mohou být ekonomicky významné a rov­něž představují rizika možného ovlivnění okolí nebo snížení účinnosti při nevhod­ném provozování. Z uvedeného vyplývá, že selektivní ne­katalytická reakce je méně nákladová, avšak probíhá při vyšších teplotách a cel­kově vyžaduje kvalitnější řízení než selek­tivní katalytická reakce.

Algoritmy pro řízení sekundárních opa­tření z pohledu omezení těchto rizik. Budou respektovat typ použité reakce (katalytická, nekatalytická). V případech, že se nepodaří řídicími opatřeními podle uvedených do­sáhnout rovnoměrného rozložení koncen­trací emisí na výstupu ze spalovací komory, budou řídit nerovnoměrnosti vstřiků che­mického reagentu tak, aby byl zcela zre­agován a nebyl vypouštěn do ovzduší a aby byly nastaveny optimální podmínky pro příslušnou chemickou reakci.

Měření Teploty ve Spalovací Komoře

Aplikace metod snižování emisí vyžaduje mít k dispozici důležitých technologických veličin ze spalovacího procesu. Zejména jde o teploty a koncentrace kyslíku v horní části spalovací komory. Termoelektrickými články. Jedná se o jednu z nejrozšířenějších metod. Jsou použi­telné pro bodová měření, výhodou je jedno­duchost, nízká ceny a vysoká spolehlivost Nevýhodou mohou být problémy s jejich tr­valým umístěním v požadovaném místě mě­ření a možnost poškození při provozu kotle. Pro konkrétní aplikaci byly posuzovány ter­močlánky kódu R (Pt - PtRh), které mají citlivost v oblasti teplot 1.000 °C cca 13 mikrovolt/ °C, tedy dávají slabší signál, avšak mají menší nejistotu.

Poměrové pyrometry. Tyto pyrometry vy­hodnocují povrchovou teplotu objektu na základě poměru dvou září (energií) při dvou různých vlnových délkách a vypočítávají je­jich poměr, který je známou funkcí teploty objektu. Poměrový pyrometr může elimino­vat chyby způsobení změnou emisivity a chyby, způsobené absorpcí záření, např. vodní parou v prostoru mezi měřeným ob­jektem a pyrometrem. Tyto změny musí ovlivňovat detekci stejným způsobem u stej­ných vlnových délek. Problém vyčíslování teploty je v tom, že není znám způsob zjiště­ní emisivity plamene pro zvolenou vlnovou délku a předpokládanou teplotu. Další prob­lém je v tom, že teplota v celém zvoleném, resp. optikou vytknutém objemu není stejná. Sejmutý signál přestavuje určitou střední hodnotu, přičemž definice „středování“ není jasná. V tom spočívá jeden z problémů měře­ní teplot v ohništi, zvláště pak v ohništi uhel­ných kotlů pyrometrickými metodami, pokud hledáme absolutní hodnoty teplot.

Bodové měření teplot v ohništi. I když sta­novení středních teplot v určitých rovinách či směrech v ohništi je významnější, resp. žáda­nější, např. pro kontrolu tepelných bilancí, nebo pro určení přenosu tepla do jednotli­vých výhřevných ploch kotle, je zjištění tep­lot spalin ve zvolených referenčních bodech důležité pro řešení problematiky řízení spalo­vání z hlediska optimalizace účinnosti a sni­žování emisí. K tomuto účelu bylo navrženo kombinované čidlo, využívající možnosti do­tykových i bezdotykových metod, jehož kon­cepce vychází ze zjištěných výhod a nevýhod obou metod. Sestává z na jednom konci za­slepené a proti ohništi utěsněné trubky, která je otvorem ve stěně vsunuta do ohniště. Pyrometricky je snímána teplota zaslepené­ho dna, které se kontaktem s proudícími spa­linami ohřeje na teplotu velmi blízkou teplo­tě media v daném místě. Paralelně je snímá­na teplota dna termočlánkem, jehož kom­penzační vedení je vedeno vnitřkem trubky. Schéma vývojového zařízení je na obr. 2. Obr.

Zvýšení Efektivnosti Provozu Kotle

Opatření k redukci emisí oxidů dusíku musí být v souladu s opatřeními na celkové zvýšení efektivnosti provozu kotle a rovněž celého energetického zařízení. V případě kotle tato opatření musí rovněž zahrnovat naplnění kriterií na účinnost a minimalizaci emisí CO2 a dále kriteria na optimální provoz­ní součinnost kotle s turbinou.

SNCR Technologie

Naše společnost se dlouhodobě zabývá ekologizací kotlů. Náš systém pracuje na známém principu reakce iontů NH2- s NOx za vzniku molekulárního dusíku N2 a vody H2O a to v teplotním poli 1 000 - 1 100°C. Jedná se o tzv. selektivní nekatalytickou redukci, ve zkratce SNCR. Tato technologie je navržena tak, aby bylo za provozu dosahováno emisního limitu při co nejmenší spotřebě reakčního činidla.

V našem systému používané reakční činidlo (reagent), je volně prodejný chemický přípravek známý pod obchodním názvem AdBlue®. Účinnost metody SNCR (40 - 60%) je silně ovlivněna teplotou spalin, respektive správným umístněním trysek reagentu ve spalovací komoře v uvedeném teplotním okně, které je pro celou denitrifikační metodu absolutně stěžejní. Proto bývá umístění trysek pro každý kotel předmětem návrhu, který je podložený modelem tepelného pole daného kotle.

tags: #sekundární #metody #snižování #emisí #NOx

Oblíbené příspěvky:

• Tipy na výlety Plzeňský kraj
• Nedostatek vody: Příčiny, následky a řešení
• Znečištění ovzduší v ČR a globální dopady
• Velké svozové vozidlo
• Nová legislativa EU a Švýcarsko