E N E R G E T Y K A I E K O L O G I A

I n s t y t u t M a s z y n C i e p l n y c h

81

ENERGETYKA

A OCHRONA ŚRODOWISKA

Wpływ Krajowego Systemu Energetycznego

na środowisko

1

Skutki zanieczyszczania środowiska

1.1

Skażenie powietrza (emisja pyłu, SO

2

,

NO

x

,

CO,

CO

2

,

inne),

1.2

Skażenie wód,

1.3

Skażenie gleby,

1.4

Hałas,

1.5

Oddziaływanie pól elektromagnetycznych,

1.6

Oddziaływanie obiegów chłodzenia na otocze-

nie.

2

Metody ograniczenia zapylenia i emisji szkodliwych
gazów

2.1

Wzbogacanie paliw,

2.2

Przetwarzanie paliw stałych,

2.3

Technologie czystego spalania,

2.4

Oczyszczanie spalin,

2.4.1

Odpylanie spalin,

2.4.2

Odsiarczanie spalin,

2.4.3

Odazotowywanie spalin,

2.4.4

Ograniczanie emisji CO

2

.

3

Składowanie i utylizacja odpadów elektrownianych

3.1

Zagospodarowywanie ścieków,

3.2

Składowanie i zagospodarowanie odpadów pale-
niskowych i popiołów lotnych,

3.3

Składowanie i zagospodarowanie produktów po-
reakcyjnych z odsiarczania spalin.

E N E R G E T Y K A I E K O L O G I A

I n s t y t u t M a s z y n C i e p l n y c h

82

Oddziaływanie konwencjonalnej elektrowni

cieplnej na środowisko

Rys. 54. Kierunki i czynniki oddziaływania

konwencjonalnej elektrowni cieplnej
na środowisko

Rys. 55. Czego potrzebuje konwencjonalna elektrownia

cieplna i czym „zatruwa” środowisko

E N E R G E T Y K A I E K O L O G I A

I n s t y t u t M a s z y n C i e p l n y c h

83

Ochrona powietrza przed emisją pyłu, SO

2

,

NO

x

,

CO,

CO

2

,

innych),

Tabl. 21. Całkowita emisja głównych zanieczyszczeń

powietrza

a

w Polsce

1995

2000

2004

2005

Wyszczególnienie

w Gg

Dwutlenek siarki

2376

1511

1241

1222

Tlenki azotu

b

1120

838

804

811

Dwutlenek węgla

c

377448 333253 325382 326511

Tlenek węgla

4547

3463

3426

3333

Niemetanowe lotne związki

organiczne w tym:

1076

904

896

885

źródła antropogeniczne

769

599

597

585

przyroda

307

306

299

301

Amoniak

380

322

317

327

Pyły

d

1308

464

443

457

a Dane szacunkowe.

b Wyrażone w NO

2

.

c Dane zmienione (zrekalkulowane) w stosunku do opublikowanych w poprzedniej edycji Rocznika.

d Emisja ze źródeł stacjonarnych i mobilnych, w 1995 r. — tylko ze źródeł stacjonarnych; od 2000 r. dane

nieporównywalne z danymi za lata poprzednie z powodu zmiany metodologii szacowania emisji pyłów.

Źródło: Mały Rocznik Statystyczny 2007 GUS 2007

E N E R G E T Y K A I E K O L O G I A

I n s t y t u t M a s z y n C i e p l n y c h

81

Tabl. 22. Całkowita emisja dwutlenku siarki, tlenków azotu i pyłów

a

według źródeł za-

nieczyszczeń w Polsce

Dwutlenek siarki

Tlenki azotu

b

Pyły

c

1995

2005

1995

2005

1995

2005

Wyszczególnienie

w Gg

w od-

set-

kach

w Gg

w od-

set-

kach

w Gg

w od-

set-

kach

OGÓŁEM

2376 1222 100,0 1120

811 100,0

464

457

100,0

Źródła stacjonarne:

energetyka
zawodowa

1223

642

52,5

377

246

30,3

64

38

8,2

energetyka
przemysłowa

384

209

17,1

111

90

11,1

19

17

3,7

technologie
przemysłowe

200

56

4,6

103

54

6,7

72

52

11,4

inne źródła

d

527

314

25,7

115

109

13,4

248

288

63,0

Źródła mobilne

42

2

0,1

414

312

38,5

61

63

13,7

a—c Patrz notki a, b, d do tabl. 21. d Kotłownie lokalne, paleniska domowe, rolnictwo i inne.

Źródło: Mały Rocznik Statystyczny 2007 GUS 2007

E N E R G E T Y K A I E K O L O G I A

I n s t y t u t M a s z y n C i e p l n y c h

81

Zapobieganie bardzo znacznemu zagrożeniu środowiska ze

strony energetyki, spowodowanemu wydzielaniem dużych ilo-

ści zanieczyszczeń gazowych (S0

2

i NO

x

) oraz pyłowych, po-

lega na stosowaniu następujących środków i działań:

-

wzbogacanie paliw;

1

-

odpylacze o dużej skuteczności;

- wysokie kominy i koncentracja spalin (w jednym kominie) w

celu zwiększenia wyniesienia smugi dymu;

-

instalacje do odsiarczania spalin;

-

ograniczanie powstawania tlenków azotu oraz ich emisji;

- sieci kontrolno-alarmowe;

- spalanie paliwa interwencyjnego (w okresie niekorzystnych

warunków meteorologicznych);

- utylizacja odpadów paleniskowych;

- nowe technologie energetyczne, jak np. energetyka jądro-

wa, kotły fluidalne, zgazowanie węgla i in.

Udoskonalanie procesu wytwarzania energii elektrycznej

z węgla można ująć w następujące obszary:

I.

Wzbogacanie węgla – oczyszczanie paliwa przed spala-

niem (Precombustion Cleaning)

II.

Czyste spalanie (Clean Combustion)

III.

Oczyszczanie spalin (Post-Combustion Cleaning)

IV.

Technologia konwersji węgla (Conversion)

V.

Inne

1

Środki i działania wyróżnione kolorem niebieskim zostaną omówione szerzej

E N E R G E T Y K A I E K O L O G I A

I n s t y t u t M a s z y n C i e p l n y c h

82

Wzbogacanie węgla

– obecnie stosowane sposoby umożliwiają

usuwanie 30-50% siarki pirytowej

2

oraz 60% niepalnych czę-

ści mineralnych (popiołu). Stosowane są następujące metody

wzbogacania:

1.

Metody fizyczne

mielenie drobnoziarniste

udoskonalona flotacja pionowa

zastosowanie cieczy ciężkich

flotacja mikropęcherzykowa

udoskonalone metody suche

2.

Metody chemiczne

ługowanie

stosowanie rozpuszczalników organicznych

3.

Metody mikrobiologiczne

wymywanie biologiczne

2

Piryt związek chemiczny siarki z żelazem – siarczek żelaza (FeS

2

)

E N E R G E T Y K A I E K O L O G I A

I n s t y t u t M a s z y n C i e p l n y c h

83

II.

Czyste spalanie

– zabiegi technologiczne i konstrukcyjne,

prowadzące do ograniczenia emisji tlenków azotu z moż-

liwością związania i usunięcia części siarki.

1.

Stosowanie nowych lub udoskonalonych komór spa-

lania i palników kotłowych

cyklonowe komory z ciekłym odprowadzeniem żuż-

la i dopalaniem gazu

wielostopniowe palniki z iniekcją wapnia

udoskonalone palniki o obniżonej generacji NO

x

2.

Preparacja paliwa

przygotowanie zawiesin węglowo-wodnych

równoczesne spalanie węgla i gazu oraz spalanie

zawiesin węglowo-wodnych i gazu (układy wielo-

paliwowe)

3.

Stosowanie kotłów fluidalnych

(spełniają wymagania

ekologiczne bez konieczności stosowania urządzeń

dodatkowych)

III.

Oczyszczanie spalin

– obecnie najpopularniejszy obszar

udoskonalania technologii węglowych mimo, że ogranicza

się tu skutki, a nie przyczyny emisji:

1.

Odpylanie spalin (

elektrofiltry, filtry tkaninowe, cy-

klony,

komory osadcze)

E N E R G E T Y K A I E K O L O G I A

I n s t y t u t M a s z y n C i e p l n y c h

84

„III. Standardy emisyjne pyłu

1. Ze spalania węgla kamiennego

Standardy emisyjne pyłu w mg/m

3

u

, przy zawartości 6% tlenu w ga-

zach odlotowych

Źródła istniejące oddane do użytkowania przed

dniem 29 marca 1990 r.

Źródła istniejące

oddane do użytko-

wania po dniu 28

marca 1990 r.

Nominalna

moc cieplna

źródła w MW

Do

31.12.

2006 r.

od

01.01.

2007 r.

do

31.12.

2015 r.

Od

01.01.

2016 r.

źródła wymienione w

pkt IV.3. i 4. niniejsze-

go załącznika w okre-

sie od 01.01.2008 r.

do terminów tam okre-

ślonych

Do

31.12.

2015 r.

Od

01.01.

2016 r.

1

2

3

4

5

6

7

5

1.900

700

200

700

630

200

>=5 i < 50

1.000

400

1)

100

400

400

100

2)

>= 50 i <

500

350

3)

100

4)

100

350

100

100

500 <

350

3)

50

4),5)

50

5)

350

50

5)

50

5)

Objaśnienia:

1)

standard emisyjny pyłu ze źródeł, które oddano do użytkowania przed dniem 29 mar-

ca 1990 r., dla których prowadzący takie źródła zobowiązał się w pisemnej deklaracji, zło-
żonej właściwemu organowi ochrony środowiska nie później niż do dnia 30 czerwca 2004
r., że źródło będzie użytkowane nie dłużej niż do dnia 31 grudnia 2015 r., a czas jego
użytkowania w okresie od dnia 1 stycznia 2008 r. do dnia 31 grudnia 2015 r. nie przekro-
czy 20.000 godzin, wynosi w okresie od 01.01.2007 r. do 31.12.2015 r. 700 mg/m

3

u

, przy

zawartości 6 % tlenu w gazach odlotowych.

2)

standard emisyjny pyłu ze źródeł wymienionych w pkt IV.3. załącznika wynosi - do

czasu określonego w tym punkcie - 400 mg/m

3

u

, przy zawartości 6 % tlenu w gazach od-

lotowych;

3)

wartości obowiązują do dnia 31 grudnia 2007 r.;

4)

wartości obowiązują od dnia 1 stycznia 2008 r.;

5)

dla źródeł, w których spalane jest paliwo stałe posiadające w stanie roboczym: war-

tość opałową mniejszą niż 5.800 kJ/kg, zawartość wilgoci większą niż 45% wagowych,
łączną zawartość wilgoci i popiołu większą niż 60% wagowych i zawartość tlenku wapnia
większą niż 10%, standard emisyjny wynosi 100 mg/m

3

u

, przy zawartości 6 % tlenu w

gazach odlotowych.”

Ź

ródło: ROZPORZĄDZENIE MINISTRA ŚRODOWISKA w sprawie standardów emisyjnych z instalacji

z dnia 20 grudnia 2005 r. Dziennik Ustaw z 2005 r. Nr 260 poz. 2181

Jest to przykładowy cytat z przepisów prawnych dotyczących

emisji zanieczyszczeń do środowiska.

E N E R G E T Y K A I E K O L O G I A

I n s t y t u t M a s z y n C i e p l n y c h

85

Elektrofiltry

Elektrofiltr

, zwany

odpylaczem elektrostatycznym

jest urządze-

niem, w którym usuwanie pyłu ze spalin następuje poprzez wykorzy-
stanie

siły elektrostatycznej

, działającej na cząstki tego pyłu.

Zasada działania elektrofiltru

Aktywną przestrzeń elektrofiltru tworzy układ elektrod wysokona-

pięciowych i zbiorczych umieszczonych względem siebie w pewnych
odstępach. Do elektrod wysokonapięciowych doprowadzane jest bar-
dzo wysokie stałe napięcie ujemne 30-100 kV, elektrody zbiorcze są
uziemione. W wyniku działania wysokiego napięcia pomiędzy elektro-
dami powstaje silne pole elektryczne i wyładowania koronowe. Czą-
steczki pyłu znajdujące się w strumieniu gazu przepływającego przez
aktywną przestrzeń pomiędzy elektrodami są ładowane przez jony
ujemne i uzyskują ładunek ujemny. Pod wpływem działania silnego po-
la elektrycznego naładowane cząstki pyłu przyciągane są do po-
wierzchnię elektrod zbiorczych, gdzie uwalniane są od ładunku elek-
trycznego. Pył jest strącany z elektrod zbiorczych poprzez wytrząsanie
mechaniczne i opada w dół do zsypu, skąd jest odprowadzany w spo-
sób ciągły na składowisko bądź zagospodarowywany jest do innych ce-
lów.

Rys. 56. Zasada
działania elektrofiltru

E N E R G E T Y K A I E K O L O G I A

I n s t y t u t M a s z y n C i e p l n y c h

86

Skuteczność usuwania pyłów od średnicy 10

µ

m w górę.

Prędkość przepływu spalin 0,9-3 m/s – sprawność 92-98%

Rys. 57. Schemat odpylacza elektrostatycznego

1.

System ścian rozdzielających dla równomiernego rozdziału
przepływu spalin

2.

Wnętrze elektrofiltru wraz z:
- systemem elektrod zbiorczych
- systemem elektrod wysokonapięciowych

3.

Zawieszenie systemu wysokonapięciowego

4.

Stożkowe izolatory wsporcze

5.

Elektrody wysokonapięciowe

6.

Elektrody zbiorcze

7.

Strzepywacze regenerujące elektrody wysokonapięciowe
i zbiorcze

8.

Zsypy zbiorcze na pył

E N E R G E T Y K A I E K O L O G I A

I n s t y t u t M a s z y n C i e p l n y c h

87

Rys. 58. Układy szeregowo-równoległych

elektrofiltrów siłownianych

Rys. 59. Przykład prze-

mysłowego wy-
konania elektro-
filtru

E N E R G E T Y K A I E K O L O G I A

I n s t y t u t M a s z y n C i e p l n y c h

88

Cyklon

Cyklon

(odpylacz cyklonowy) - urządzenie wykorzystywane

do oczyszczania gazów z cząstek stałych (pyłu) wykorzystują-

ce

siły bezwładności

. Stosowane do odpylania gazów w cie-

płowniach, elektrociepłowniach, hutach, itp. Skuteczność

działania – usuwają cząstki pyłu o wymiarach przekraczają-

cych 60 µm.

Skuteczność odpylania - cyklonu - jest tym większa im więk-

sza jest prędkość wlotowa, a także im mniejszy promień.

Rys. 60. Konstrukcja cyklonu

3

1

2

E N E R G E T Y K A I E K O L O G I A

I n s t y t u t M a s z y n C i e p l n y c h

89

Filtry workowe

Rys. 62. Zasada działania jednego z typów

filtrów workowych

Rys. 61. Przykład

przemysłowej
instalacji
odpylającej
z cyklonami

E N E R G E T Y K A I E K O L O G I A

I n s t y t u t M a s z y n C i e p l n y c h

90

2.

Odsiarczanie spalin

Siarka zawarta w paliwie (węglu, benzynie, olejach napę-

dowych czy opałowych) wchodzi w reakcję z tlenem

z powietrza tworząc dwutlenek siarki zgodnie z reakcją:

S + O

2

= SO

2

,

dalsze utlenianie dwutlenku siarki daje trójtlenek:

2SO

2

+ O

2

= SO

3

,

z którego po połączeniu z wodą (mgła, deszcz) otrzymamy
kwas siarkowy:

SO

3

+ H

2

O = H

2

SO

4

,

Rys. 63. Przykład przemysłowej instalacji

odpylającej z filtrami workowymi

E N E R G E T Y K A I E K O L O G I A

I n s t y t u t M a s z y n C i e p l n y c h

91

opadający na ziemię w postaci tzw. kwaśnego deszczu.

Proces tworzenia kwaśnych deszczy można znacznie ogra-

niczyć (zmniejszyć stężenie kwasów w wodzie deszczo-

wej), poprzez usuwanie dwutlenku siarki w instalacjach

odsiarczania, budowanych na terenie elektrowni.

Metody odsiarczania spalin:

a.

wykorzystujące chemiczne wiązanie SO

2

, po-

przez reakcję tego gazu z tzw. sorbentem (zwy-

kle związkami wapnia)



metody mokre (skuteczność >90%)



metody półsuche (skuteczność =20

÷

60%)



metody suche (skuteczność =20

÷

60%)

b.

wykorzystujące katalityczne przetworzenie SO

2

c.

wykorzystujące adsorpcję fizyczną na odpo-
wiednim złożu tzw. adsorbencie

Przykład metody mokrej.

Rys.64. Schemat ideowy (przykładowy) mokrej wapiennej metody

odsiarczania spalin

1 - komin, 2 - wentylator wspomagający, 3 - absorber, 4 - spaliny z kotła odzysknicowe-
go, 5 - mieszacz spalin (podgrzewacz), 6 - wentylator powietrza utleniającego, 7 - elimi-
nator kropel wody, 8 - sorbent (mleczko wapienne), 9 - recyrkulacja sorbentu, 10 - roz-
twór sorbentu z odwadniania gipsu, 11 - odwadnianie gipsu, 12 - zbiornik gipsu, 13 - bar-
ka

E N E R G E T Y K A I E K O L O G I A

I n s t y t u t M a s z y n C i e p l n y c h

92

Przebieg reakcji podczas mokrego odsiarczania spalin:

SO

2

+ H

2

O = H

2

SO

3

CaCO

3

+ H

2

SO

3

= CaSO

3

+ CO

2

+ H

2

O

2CaSO

3

+ O

2

= 2CaSO

4

Produkt otrzymywany to gips, łatwy w składowaniu lub uży-
wany jako surowiec w budownictwie.

Przykład metody półsuchej.

Rys. 65. Schemat ideowy półsuchej wapiennej metody Niro-Atomizer-
Fläkt odsiarczania spalin

1 - elektrofiltr, 2 - zbiornik wapna, 3 - zbiornik sorbentu, 4 - absorber, 5 - filtr workowy, 6
- zbiornik produktów odsiarczania

E N E R G E T Y K A I E K O L O G I A

I n s t y t u t M a s z y n C i e p l n y c h

93

Przykład metody suchej.

Sucha metoda

odsiarczania spalin

polega na doprowadzeniu

do komory spalania kotła zmielonego sorbentu w postaci ka-

mienia wapiennego CaCO

3

, kredy CaCO

3

, dolomitu

CaCO

3

— MgCO

3

, wapna palonego CaO lub wapna hydratyzo-

wanego Ca(OH)

2

. Sorbent musi być zmielony na cząstki

o średnicy mniejszej niż 100 µm. Jest on doprowadzony do

komory spalania bezpośrednio z węglem lub z powietrzem

wtórnym, albo specjalnym systemem dysz. Reakcja ma prze-

bieg następujący:

CaCO

3

→ CaO + CO

2

CaO + SO

3

= CaSO

4

2CaO + 2SO

2

+ O

2

= 2CaSO

4

Skuteczność tej metody wynosi ok. 50%.

Produkt wyjściowy – gips – przechodzi do żużli i popiołów.

E N E R G E T Y K A I E K O L O G I A

I n s t y t u t M a s z y n C i e p l n y c h

94

3.

Odazotowywanie spalin

Podczas spalania paliw ok. 80% tlenków azotu powstaje

z azotu zawartego w paliwie. Ile jest azotu w paliwach?

W węglu 1-2%, w gazie ziemnym ok. 0,5% w oleju opa-

łowym 0,2-1%.

W procesach spalania powstaje tlenek azotu NO; dwutle-

nek NO

2

tworzy się poprzez utlenianie tlenku w powietrzu at-

mosferycznym.

Procentowe udziały tlenków azotu w spalinach są następu-

jące: 5% dwutlenek azotu, 95% tlenek azotu.

Rys. 66. Zawartość tlenków azotu w spalinach

w zależności od temperatury spalania

Sposoby ograniczania emisji tlenków azotu:

•

właściwe ukształtowanie komory paleniskowej

•

stosowanie palników o specjalnej konstrukcji

•

dwustrefowe spalanie paliwa

•

recyrkulacja spalin do komory paleniskowej

•

zmniejszenie współczynnika nadmiaru powietrza

NO

x

1
[%]

10

-1

10

-2

10

-3

E N E R G E T Y K A I E K O L O G I A

I n s t y t u t M a s z y n C i e p l n y c h

95

W/w sposoby pozwalają zmniejszyć emisję NOx

o ok. 50%.

Szczegółowe opisy sposobów i dane dotyczące efektów

zmniejszania emisji tlenków azotu podaje literatura przedmio-
tu.

Do metod zmniejszania zawartości tlenków azotu w spali-

nach należą:

•

selektywna redukcja katalityczna,

•

selektywna redukcja niekatalityczna,

•

metody absorpcyjne połączona z odsiarczaniem:

♦

metoda SHL (Saaberg-Holder-Lurgi)

♦

metoda WSA-SNOX (WSA – Wet Sulphuric Acid)

♦

metoda Bergau Forschung-Uhde

•

metoda radiacyjna

Rys. 67. Schemat pilotowej instalacji odsiarczania i odazotowywania

spalin metodą radiacyjną w Elektrociepłowni Kawęczyn.

1 - kondycjonowanie spalin, 2 - układ dozowania amoniaku, 3 - reaktor (komora napro-
mieniowania), 4 - filtracja i odbiór produktu

E N E R G E T Y K A I E K O L O G I A

I n s t y t u t M a s z y n C i e p l n y c h

96

4.

Technologia konwersji węgla (Conversion)

Ograniczanie emisji CO

2

Przyczyna dążenia do zmniejszenia emisji dwutlenku wę-

gla, jest głównie rola jaką ten gaz, wpływając na efekt cie-
plarniany, przyczynia się do globalnego ocieplenia.

Tabela 16. Procentowy udział CO

2

w gazach odlotowych

różnych procesów technologicznych

Wyszczególnienie

Koncentracja

CO

2

[% objętości]

Gazy spalinowe z elektrowni:

- kotły węglowe

14

- kotły gazowe

8

- gaz ziemny w cyklu kombinowanym

4

- spalanie węglowo – tlenowe

>80

Elektrownie z wychwytywaniem CO

2

przed spalaniem:

- zgazowanie węgla

40

- częściowe utlenianie gazów odlotowych

(gaz ziemny)

24

Gazy z pieców hutniczych:

- przed spalaniem

20

- po spaleniu

27

Gazy z wypalania cementu

4-23

Petrochemia i rafinerie

8

E N E R G E T Y K A I E K O L O G I A

I n s t y t u t M a s z y n C i e p l n y c h

97

Spalanie węgla generuje emisję CO

2

w ilości od 800 do

1200 gramów CO

2

na kilowatogodzinę energii elektrycznej.

Działania

mogące

ograniczyć

emisje CO

2

z elektrowni

i elektrociepłowni są rożne ale

każde jest ważne

. Do takich

działań można zaliczyć:

•

uszlachetnianie węgla przed spaleniem; efekt: CO

2

↓ 5%,

•

podniesienie sprawności konwersji energii w elek-
trowniach – szczególnie budowa bloków na parametry
nadkrytyczne (t = 620

o

C i p = 30 MPa), docelowo su-

pernadkrytyczne (t = 700

o

C i p = 37,5 MPa),

•

dywersyfikacja paliw – zastępowanie węgla olejem
opalowym lub lepiej gazem ziemnym,

•

wprowadzanie technologii zgazowania węgla:



zgazowanie węgla w kopalniach,



cykl kombinowany ze zintegrowanym zgazowa-
niem - IGCC (ang. integrated gasification combin-
ed cycle) sprawność (45-55)%,

•

sekwestracja dwutlenku węgla w każdym procesie
spalania.

Rys. 67. Poglądowy rysunek układu gazowo-parowego

E N E R G E T Y K A I E K O L O G I A

I n s t y t u t M a s z y n C i e p l n y c h

98

Rys. 67. Separacja CO

2

Inne

nie związane

(lub

związane

) bezpośrednio ze spala-

niem węgli, sposoby ograniczania emisji CO

2

:

•

wprowadzenie kombinowanych cykli gazowo-
parowych (CCGT) (combined cycle gas turbine),

•

zastępowanie elektrowni elektrociepłowniami,

•

budowa elektrowni jądrowych,

•

wprowadzanie odnawialnych źródeł energii,