Oczyszczanie spalin

Rozpatrzymy przykładowo kilka nowoczesnych, rozwijanych w Stanach
Zjednoczonych, technik oczyszczania spalin. Jedna z tych technik polega na
zastosowaniu wielostopniowego rozpylania pyłu związków wapnia zarówno w kotle,
jak i w instalacji odprowadzającej wystudzone spaliny (rys. 14).

Rys. 14. Metoda wielostopniowego doprowadzania do spalin rozpylonego wapienia

Technikę tę wprowadzono przy użyciu kotła o mocy 105 MW, w Ohio Edison's
Edgewater Station w Lorain, w USA. Jest ona znana pod nazwą techniki LIMB
(Limstone Injection Multistage Burner System).

Głównym celem opracowania tej metody było wykazanie możliwości

unowocześnienia instalacji oczyszczania spalin jednocześnie NO

x

i S0

2

, przy

zastosowaniu różnego rodzaju węgla, jak i sorbentu, neutralizacji wymienionych
składników toksycznych w zimnej części instalacji przepływu spalin, przy
rozpylaniu sorbentu w postaci pyłu przed obszarem nawilżania i przed
elektrofiltrami.

Metoda LIMB polega na redukcji S0

2

przez rozpylanie suchego sorbentu do

przestrzeni kotła w miejscu położonym powyżej palników. Następnie sorbent
wędruje przez kocioł i jest usuwany wraz z popiołem w elektrofiltrach. Nawilżanie
spalin, zanim dotrą one do elektrofiltrów, jest konieczne w celu utrzymania i
zintensyfikowania ich działania.

Badano trzy rodzaje węgla (1,6% S, 3,0% S i 3,8% S) i cztery rodzaje sorbentu.

Innymi zmiennymi były stosunki stechiometryczne i temperatura w obszarze
nawilżania.

W zimnej części spalin nawilżanie bardzo efektywnie powiększa absorpcję S0

2

,

przez rozpuszczanie NaOH lub Na

2

C0

3

w wodzie.

Podobnie jak i w gorącej części zużyty sorbent jest gromadzony razem z popiołem.
W wyniku badań stwierdzono, że zawartość siarki w węglu ma wpływ na sprawność
odsiarczania, a mianowicie im większa zawartość siarki, tym większa sprawność
absorpcji SO

2

oraz im drobniejsze rozpylane cząstki sorbentu, tym większa

sprawność absorpcji SO

2

.

W Illinois Power Company w Itennepin, Putnam County, w USA, do oczyszczania
spalin w kotle o mocy 80 MW zastosowano metodę dopalania gazu ziemnego i
rozpylania sorbentu (rys. 15). Celem przedsięwzięcia było wykazanie możliwości
zmniejszenia NO

x

o 60% przez dopalanie gazu ziemnego oraz zmniejszenie o 50%

emisji S0

2

przez rozpylanie sorbentu.

Rys. 15. Metoda dopalania gazu i rozpylania sorbentu

Dopalanie gazu

jest jedną z technik, stosowanych do zmniejszenia emisji NO

x

. W procesie tym 80 -

85% paliwa stanowi węgiel, który jest wprowadzany do głównego obszaru spalania.

Pozostałych 15 - 20% paliwa, zwykle gazu ziemnego, omija główny obszar spalania i

jest wprowadzanych powyżej głównych palników, kształtując obszar odtleniania, w
którym NO

x

jest redukowane do azotu.

Sorbent jest rozpylany w postaci suchych, bardzo drobnych cząstek powyżej obszaru

dopalania w kotle lub dalej na drodze spalin.

W badanym obiekcie testowano sorbent w postaci związków wapnia. Przy

zastosowaniu tej metody przewiduje się zmniejszenie emisji NO

x

o 60%, a S0

2

o 50%,

podczas spalania bardzo zasiarczonego węgla ze środkowo-zachodnich stanów USA.

Wstępne próby wykazały, że sprawność oczyszczania spalin tą metodą jest wyższa

niż zakładano w projekcie. Stosując dopalanie gazu ziemnego zmniejszono emisję NO

x

co najmniej o 65%, a S0

2

o 52,5%.

Stosunek ilości wapnia do siarki wyniósł ok. 1,75: l. Prezentowana technika

oczyszczania spalin nie jest wrażliwa na rodzaj stosowanego węgla, niezależnie od
różnej zawartości siarki lub azotu.

Odsiarczania przez wtrysk sorbentu do spalin

Nieco inna metoda odsiarczania przez wtrysk sorbentu do spalin została
zastosowana przez Pennsylvania Electric Company's Seward Station, w Seward,
Indiana County, w Pensylwanii w USA (rys. 16). Połowę spalin z kotła o mocy 147
MW poddano oczyszczaniu, skierowując ją do nieco dłuższego od normalnego
kanału. Do obszaru spalin między dwoma stopniami elektrofiltrów doprowadza się
sorbent w postaci emulsji wodnej z powietrzem. W badanej instalacji zastosowano
węgiel kamienny z Pensylwanii o zawartości 1,2 - 2,5% siarki.

Rys. 16 Metoda
odsiarczania
poprzez wtrysk
sorbentu do spalin

Głównym celem budowy instalacji było wykazanie możliwości redukcji emisji S0

2

przez wtrysk sorbentu do kanału przepływu spalin, a w szczególności zdefiniowanie
parametrów optymalnie przebiegającego procesu.

Zastosowana technika redukcji emisji S0

2

polega na drobnym rozpyleniu emulsji

bardzo reaktywnych związków wapnia z wodą do przepływających spalin między
wymiennikiem ciepła a elektrofiltrem.

Emulsja ta jest wtryskiwana do środka kanału spalin za pomocą wtryskiwacza, na
wyjściu z którego formuje się strumień drobnych kropelek.

Rozpylany strumień emulsji studzi spaliny, a S0

2

jest gwałtownie absorbowane przez

parujące krople.

Krople mieszają się z gorącymi spalinami i woda gwałtownie wyparowuje. Szybkie
schnięcie wyklucza aglomerację mokrych cząstek w kanale i sprzyja przenoszeniu
suchych produktów reakcji i nieprzereagowanych cząstek sorbentu do elektrofiltrów.

Należy się spodziewać, że przy zastosowaniu tej metody będzie można usunąć ze
spalin do 50% S0

2

.

Opracowana metoda jest alternatywną dla konwencjonalnych metod odsiarczania
spalin.
W projekcie przewidziano badania różnego rodzaju sorbentów z zastosowaniem kilku
rozwiązań wtryskiwaczy, przy użyciu węgla o różnym stopniu zasiarczenia.
Opisywana technika zmniejszania emisji S0

2

jest zalecana do stosowania we

wszystkich rodzajach kotłów, niezależnie od ich typu, wielkości i wieku.
Technika ta może być z łatwością zastosowana do istniejących kotłów, przy
stosunkowo małych kosztach.

Rys. 17. Odsiarczanie za pomocą przepuszczania spalin przez zawiesinę sorbentu

Tennessee Valley Authority's National Center for Emissions Research zastosował na
kotle w West Paducah w Mc Cracken County, w Kentucky w USA, metodę
odsiarczania spalin przez ich przepuszczanie przez zawiesinę sorbentu (rys. 17).

W instalacji tej wykorzystuje się jedynie niewielki strumień spalin o energii
równoważnej 10 MW mocy, z całkowitej mocy kotła wynoszącej 150 MW.
Budowa instalacji miała na celu sprawdzenie zasady odsiarczania spalin w
zawiesinie sorbentu przy użyciu bardzo zasiarczonych gatunków węgla (GSA - Gas
Suspension Absorption System).
Instalacja składa się z pionowego reaktora, w którym spaliny kontaktują się z
zawiesiną cząstek wapna, produktów reakcji i popiołu.
Około 99% cząstek stałych powraca do reaktora poprzez cyklon, podczas gdy gazy
wylotowe przechodzą przez filtr elektrostatyczny zanim zostaną uwolnione do
atmosfery.

Emulsja wapna gaszonego i wody jest wtryskiwana do przepływających spalin w

dolnej części reaktora.
Ilość wtryskiwanej emulsji jest regulowana na podstawie pomiarów zakwaszenia
wejściowego i wyjściowego strumieni spalin.

Ilość wody, doprowadzanej do tworzonej emulsji, jest również regulowana na

podstawie pomiarów temperatury wypływających spalin.

Instalacja ma potencjalne możliwości usuwania do 90% S0

2

, dzięki możliwości

efektywnego wykorzystania rozpylonej emulsji sorbentu i recyrkulacji cząstek
stałych. W badaniach testowano węgiel z zachodniej części stanu Kentucky o
zawartości ok. 3% siarki.

Proponowany sposób odsiarczania spalin ma kilka zalet w porównaniu z metodami

stosowanymi dotychczas. Jest on o 40% tańszy niż mokra metoda usuwania siarki i
jest od niej prostszy zarówno w budowie, jak i w działaniu.
W zakresie skuteczności proces ten dorównuje metodzie mokrej, usuwając 90%
siarki zawartej w paliwie. Oczekuje się, że metoda ta dzięki swym zaletom znajdzie
w szerokim zakresie zastosowanie zarówno w kotłach nowoprojektowanych, jak i w
modernizowanych.