Snižování Emisí NOx: Metody a Technologie

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. V 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.

Legislativa a Emisní Limity

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. 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.

Čtěte také: Emise a jejich redukce

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.

Metody Snižování Emisí NOx

Denitrifikace je proces odstraňování oxidů dusíku (NOₓ) ze spalin vznikajících při spalování fosilních paliv, biomasy a v různých průmyslových procesech. 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. 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.

Primární 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.

Sekundární Opatření

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.

Čtěte také: Efektivní metody pro snížení emisí zážehových motorů

Selektivní Katalytická Redukce (SCR)

Technologie SCR sníží emise oxidu dusíku již vytvořené během spalování paliva uvnitř kotle. Spaliny vzniklé spalováním uhlí, do nichž se technologií SCR řízeně dávkuje vodný roztok čpavku, jsou přivedeny do katalyzátoru, kde probíhá finální chemická reakce. Rozdíl mezi SCR a dosud častěji užívanou nekatalytickou metodou SNCR je v tom, že metoda SCR zaručí požadované emisní limity během dalšího provozování kotlů s výrazně nižším zbytkovým obsahem čpavku ve spalinách.

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 Redukce (SNCR)

Důraz je zde kladen zejména na metody redukce emisí oxidů dusíku prostřednictvím technologie selektivní nekatalytické redukce (SNCR) při spalování. Selektivní nekatalytická redukce (SNCR) - vstřikování čpavku nebo močoviny do kotle v oblasti teplot 900-1 050 °C. Účinnost snížení NOₓ je 40-60 %. Technologie je jednodušší na instalaci, ale méně účinná než katalytická varianta. Problémem SNCR metody je relativně úzké teplotní okno (850-1050 °C).

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.

Ekologizace a Snižování Emisí ve Skupině ČEZ

Výroba elektřiny a tepla z fosilních zdrojů, stejně jako samotná těžba těchto zdrojů, je spojena s emisemi znečišťujících látek do ovzduší. Při hnědouhelné těžbě jsou emitovány prachové částice, v důsledku spalování fosilních paliv jsou produkovány především emise oxidu siřičitého, oxidů dusíku, oxidu uhelnatého a tuhých znečišťujících látek.

Čtěte také: Analýza plánu snižování emisí

Z důvodu snížení množství emisí znečišťujících látek do ovzduší jsou na spalovacích zdrojích provozovaných v rámci Skupiny ČEZ instalována zařízení ke snižování emisí. Pro snížení objemu oxidů síry je většinou využívána vysokoúčinná metoda odsiřování kouřových plynů na principu mokré vápencové vypírky, na některých zdrojích je využívána polosuchá metoda, při které jsou škodliviny ze spalin absorbovány na částicích vápenné suspenze, a částice takto vzniklého produktu jsou následně vlivem tepla kouřových plynů usušeny. K zachycení oxidů síry z fluidních topenišť dochází díky dávkování vápence do ohniště přímo ve spalovací komoře.

Snižování množství emisí oxidu siřičitého je na některých spalovacích zdrojích (především fluidních kotlích) realizováno formou náhrady fosilních paliv spalováním nebo spoluspalováním biomasy.Na podzim 2010 bylo podepsáno Prohlášení o strategické součinnosti ČEZ, a. s., a MŽP v oblasti ochrany ovzduší a klimatu. Dne 15.7.2022 byla mezi ČEZ, a. s. a MŽP podepsána Dobrovolná dohoda o spolupráci v oblasti ochrany klimatu, energetiky a některých souvisejících oblastech. ČEZ se v této souvislosti zavázal zkrátit horizont dosažení uhlíkové neutrality o 10 let, do roku 2040.

Emise elektráren a tepláren jsou kontinuálně monitorovány, je sledována kvalita ovzduší v blízkosti těchto zdrojů a uhelných dolů. Údaje z imisních měření jsou součástí databáze ISKO provozované na národní úrovni Českým hydrometeorologickým ústavem. Skupina ČEZ při provozu uhelných elektráren a tepláren dlouhodobě a systematicky sleduje jejich vliv na znečištění ovzduší prostřednictvím vlastní měřicí imisní sítě.

Ekologizace elektráren a tepláren je spojena se zpřísňováním emisních parametrů vycházejících z legislativy EU. K přizpůsobení se přísným emisním požadavkům pro tuhé znečišťující látky, oxid siřičitý, oxidy dusíku a oxid uhelnatý, jsou realizována příslušná technická opatření, případně náhrada stávajících zdrojů novými. Po dokončení rozsáhlého ekologizačního programu v letech 1992 - 1998, v rámci kterého se podařilo oproti úrovni na počátku 90. V průběhu období 2007 až 2012 prošla Elektrárna Tušimice 2 komplexní obnovou, při které došlo k výměně čtyř původních kotlů, rekonstrukci elektrostatických odlučovačů a vybudování nového odsíření. Následně byla realizována modernizace Elektrárny Prunéřov v letech 2012 až 2016.

Obnova spočívala v rekonstrukci tří stávajících výrobních bloků (B23, B24, B25). V souvislosti se zahájením provozu obnovených bloků Elektrárny Prunéřov 2, byly trvale odstaveny z provozu dva neekologizované bloky (B21, B22). V roce 2015 byly realizovány ekologizační projekty za účelem snížení emisí oxidů dusíku prostřednictvím kombinace primárních a sekundárních opatření na Elektrárně Počerady (selektivní nekatalytická metoda), Elektrárně Mělník I (selektivní nekatalytická metoda) a Elektrárně Dětmarovice (selektivní katalytická metoda) na úroveň nových přísnějších emisních limitů požadovaných evropskou legislativou. V případě Elektrárny Mělník I byla současně s projektem snížení emisí oxidů dusíku realizována opatření na snížení emisí tuhých znečišťujících látek. V roce 2017 je plánováno uvedení do zkušebního provozu nového nadkritického blokuv Elektrárně Ledvice. V případě provedených retrofitů a ekologizačních opatření je dosaženo cílových emisních hodnot v souladu s nejlepšími dostupnými technikami (tzv. Snižování emisí znečišťujících látek je také dosahováno provozováním obnovitelných zdrojů energie.

Obnovitelným zdrojem s nejvyšším objemem výroby elektřiny je vodní energie. Ve Skupině ČEZ je spalována biomasa k výrobě elektřiny ve čtyřech zdrojích - Elektrárně Poříčí, Elektrárně Hodonín, Energetickém centru Jindřichův Hradec a v polské Elektrárně Chorzów.

Validace Měření a Matematické Modelování

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. 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).

Metody Měření Teplot 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.

Závěr

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.

tags: #snižování #emisí #NOx #metody

Oblíbené příspěvky:

• Evropa a globální ekologické výzvy
• Více o Písni Fantasy o Přírodě
• Jak na kompost v bytě?
• Ekologické zóny Kolín nad Rýnem
• Škola v Přírodě pro Děti