Spis treści

Literatura

1. Zbigniew Ciok : Ochrona środowiska w elektroenergetyce. PWN Warszawa 2001

2. Jerzy Kucowski, Damazy Laudyn, Mieczysław Przekwas: Energetyka a ochrona środowiska. WNT Warszawa 1997

3. pod red. Jana Strzałko i Teresy Mossor-Pietraszewskiej: Kompendium wiedzy o ekologii. PWN Warszawa 1999

4. Sabah Dagher, Bogusław Dębski, Adam Kowalski:Nowoczesne technologie ochrony atmosfery. CIE Warszawa 1997

• Niekorzystne zjawiska związane z zanieczyszczeniem atmosfery.

1. Zanieczyszczenie atmosfery : przyczyny i skutki

Działaniom człowieka zmierzającym ku poprawie jakości życia, a szczególnie rozwojowi przemysłu w ostatnich dwustu latach nie towarzyszyła, troska o środowisko naturalne. Ilość oraz toksyczność wprowadzanych do atmosfery ziemskiej substancji odpadowych jest tak duża, iż przyroda nie jest już w stanie ich wszystkich wchłonąć. Zmiany składu chemicznego atmosfery zagrażają niebezpiecznym naruszeniem naturalnej równowagi procesów zachodzących w atmosferze, co może spowodować negatywne następstwa dla warunków życia na Ziemi. Do najbardziej niebezpiecznych dla biosfery należą uwalniane do powietrza gazy takie jak tlenki siarki, tlenki azotu, amoniak, tlenek i dwutlenek węgla, siarkowodór, związki organiczne, metan i inne węglowodory oraz pyły, w skład których często wchodzą metale ciężkie (ołów, rtęć, arsen, kadm i inne) i pierwiastki promieniotwórcze. Wiele wysiłku poświęcono poznaniu charakteru i zasięgu zjawisk spowodowanych antropogenną (wynikającą z działań ludzkich) emisją zanieczyszczeń oraz roli poszczególnych zanieczyszczeń w mechanizmach powstawania tych zjawisk. Powstawanie smogu oraz zakwaszenie gleb i wód były pierwszymi zagadnieniami, na które zwrócono uwagę. ostatnio problemem o zasięgu globalnym, stały się szczególnie dwa zjawiska: zanikanie warstwy ozonowej w stratosferze oraz zwiększony efekt cieplarniany.

Podczas gdy skutki o zasięgu lokalnym i regionalnym są dostatecznie dobrze poznane, globalne efekty pozostają obarczone dużą niepewnością. Niemniej mogą się one okazać tak poważne by zagrozić przyszłości całej naszej planety.

2. Efekty globalne: problem warstwy ozonowej, efekt cieplarniany

W górnych warstwach atmosfery (stratosferze) ozon reguluje absorbcję słonecznych promieni ultrafioletowych, chroniąc nas od ich negatywnego działania, a w niższych warstwach (troposferze) odgrywa istotną rolę w efekcie cieplarnianym oraz procesie powstawania smogu fotochemicznego.

Zanieczyszczenie atmosfery związkami reagującymi z ozonem powoduje spadek stężenia ozonu i tworzenie się tzw. dziur ozonowych. Związki te to: freony, tlenki azotu, chlorek mety­lu i bromek metylu.

Emisja chlorofluorowęglanów jest uznawana za jedną z głównych przyczyn zanikania warstwy ozonowej w stratosferze i powstania tzw. "dziury ozonowej" nad Antarktyką. Ogólny mechanizm zanikania warstwy ozonowej: zwiększone stężenia CFCs oraz podobnych związków zawierających brom (halonów) w atmosferze powoduje zwiększenie ich ilości w stratosferze - jedynym miejscu gdzie pod wpływem promieniowania ultrafioletowego ulegają rozpadowi. W wyniku rozpadu CFCs i halonów uwalniane są bardzo aktywne chemicznie chlor oraz brom, które reagują z ozonem. Cały ten proces jest samopodtrzymujący się, co powoduje, że jeden atom chloru może zniszczyć bardzo duże ilości atomów ozonu (do 10 000, a atom bromu nawet więcej). Drugą, nie mniej ważną przyczyną zanikania warstwy ozonowej jest wzrost stężenia tlenków i podtlenku azotu w atmosferze. Tlenek azotu (NO) w górnej troposferze oraz stratosferze reaguje z ozonem, powodując w jego zanikanie. Ponieważ głównym źródłem NO w atmosferze jest przemiana podtlenku azotu (N₂O) w NO, zwiększona emisja N₂0 wzmacnia cały efekt. Ocenia się, że około połowę ubytku ozonu w stratosferze można przypisać bezpośredniemu lub pośredniemu działaniu podtlenku i tlenków azotu

Konsekwencją zmniejszenia powłoki ozonowej jest zwiększenie natężenia promieniowania ultrafioletowego, które jest zabójcze dla organizmów żywych - może spowo­dować wzrost zachorowań na raka skóry i choroby oczu. Nadmiar promieniowania nie­korzystnie wpływa na cały system ekologiczny, potęgując powstawanie efektu cieplarnianego.

Efekt cieplarniany, to zjawisko ocieplenia się klimatu Ziemi, polegające na zatrzymywaniu pewnej ilości ciepła emitowanego do atmosfery. Powstanie efektu cieplarnianego spowodowane jest wzrostem zawartości gazów szklarniowych: głównie dwutlenku węgla (C0₂), freonów, metanu (CH₄), podtlenku azotu (N₂O), chlorofluorowęglanów (CFCs), pośrednio wpływają również i inne gazy powstające podczas spalania, np. tlenek węgla (CO), pozostałe tlenki azotu (NO₂, NO), węglowodory(NMVOC). Niektóre gazy mają pośredni wpływ na efekt cieplarniany ponieważ ich rozkład powoduje powstanie gazów szklarniowych. Gazy te z jednej strony przepuszczają pasmo fal słonecznych ultrafiole­towych, z drugiej zaś absorbują promieniowanie podczerwone (cieplne), zapobiegając w ten sposób ucieczce ciepła atmosferycznego w kosmos. Wzrost zawartości C0₂ i innych gazów szklarniowych może podnieść temperaturę Ziemi, co może przyczynić się do zmian klimatu. Skutkiem podwyższenia temperatury mogą być zmiany w globalnej strukturze i intensywności opadów. Naukowcy oceniają, że temperatura powierzchni Ziemi może wzrosnąć do 2100 roku o około 1-3,5°C. Może to spowodować szereg poważnych konsekwencji:

• podniesienie poziomu mórz o około 0,5 m i zalanie bardzo zaludnionych terenów, np. w Holandii, w dorzeczu Missisipi czy w Bangladeszu:

• częstsze i gwałtowniejsze występowanie ekstremalnych warunków atmosferycznych czyli takich zjawisk, jak huragany czy powodzie, lub długotrwałych susz;

• wyższe temperatury mogą poprawić warunki dla rolnictwa w środkowej i północnej części Europy oraz Kanadzie, ale spowodują wysuszenie obecnie żyznych terenów, np. w Azji Południowo-Wschodniej czy w USA;

• choroby tropikalne, takie jak malaria, mogą rozprzestrzeniać się na północ i południe.

Powstawanie efektu cieplarnianego, prócz procesu spalania paliw organicznych, powodują również: wycinanie lasów, pożary sawanny (zanik zdolności pochłaniania dwutlenku węgla) oraz rolnictwo, które jest źródłem metanu pochodzącego z uprawy ryżu i hodowli bydła. . Istnieją też emisje , które ograniczają efekt cieplarniany, np. gazy zawierające siarkę odbijają światło słoneczne w przestrzeń kosmiczną powodując efekt ochłodzenia.

Wulkan	związki siarki, związki azotu, pyły, tlenek węgla
Górnictwo i energetyka	związki siarki, związki azotu, pyły, tlenki węgla
Przemysł	związki siarki, związki azotu, pyły, tlenki węgla, metale ciężkie
Rolnictwo	związki azotu, pyły, tlenki węgla
Transport	związki azotu, tlenki węgla, związki ołowiu, węglowodory lotne

Tabela 1 Główne źródła i rodzaje zanieczyszczeń wprowadzanych do powietrza atmosferycznego.

1. Efekty regionalne: zakwaszenie, smog fotochemiczny

Zakwaszenie polega na osiadaniu związków zakwaszających (przede wszystkim związków siarki i azotu) na powierzchni ziemi i wody.

Smog fotochemiczny (letni) popielata mgiełka zwykle zauważalna nad obszarami z dużą emisją zanieczyszczeń, pierwszym objawem jest zmniejszenie widoczności. Główną przyczyną jest wzrost stężenia ozonu troposferycznego

2. Efekty lokalne: Smog zimowy

Powstawanie smogu zimowego związane jest głównie ze zwiększoną emisją zanieczyszczeń (przede wszystkim SOg i cząstek stałych) z instalacji grzewczych w dużych miastach, w wyniku zwiększonego zużycia energii w okresach spadków temperatury otoczenia. Sadza emitowana z palenisk indywidualnych, kotłowni komunalnych, obiektów przemysłowych oraz silników spalinowych razem z popiołem lotnym, gazami przemysłowymi (SOg, N0x, VOC, CO) i skraplającą się parą wodną tworzą mgłę inwersyjną (smog). W niesprzyjających warunkach atmosferycznych (słaby wiatr lub ograniczone rozpraszanie powietrza) zanieczyszczenia przez długi czas koncentrują się przy ziemi powodując gwałtowny wzrost stężenia szkodliwych substancji w powietrzu, stanowiąc poważne zagrożenie dla zdrowia mieszkańców. Znanych jest kilka przypadków smogu zimowego o wyjątkowej ostrości z wypadkami śmiertelnymi (np. Londyn w grudniu 1991 r. kiedy stężenie N0x przekroczyło dwukrotnie górną dopuszczalną granicę, powodując w tym okresie 10% wzrost śmiertelności.

Efekt	CO2	CH4	N2O	CFCs	NOx	CO	NMVOC	SO2	NH3	PYły
Efekty globalne
Efekt cieplarniany:
bezpośrednio	x	x	x	x
pośrednio		x		x	x	x	x	x
Dziura ozonowa			x	x	x
Efekty regionalne:
zakwaszenie					x			x	x
smog fotochemiczny					x	x	x		x
Efekty lokalne:
smog zimowy					x		x	x		x

NMVOC - niemetanowe lotne związki organiczne , duża grupa obejmująca węglowodory

VOC - CH₄ + NMVOC

• Wpływ zanieczyszczeń powietrza na zdrowie człowieka

Zanieczyszczenia powietrza mogą dotrzeć wszędzie, jednak największe ich stężenie odnotowuje się w rejonach przemysłowych. Tam też obserwuje się największy ich wpływ na zdrowie ludzi i zwierząt. Związek ten jest jeszcze bardziej widoczny, gdy rozpatruje się go z innymi czynnikami, takimi jak: palenie papierosów, nasłonecznienie, stan psychiczny ludzi itp.

1. Dwutlenek siarki (S0₂) atakuje najczęściej drogi oddechowe i struny głosowe. Po wniknięciu w ściany dróg oddechowych przenika do krwi i dalej do całego organizmu: kumuluje się w ściankach tchawicy i oskrzelach oraz w wątrobie, śledzionie, mózgu i węzłach chłonnych. Duże stężenie S0₂ w powietrzu może również prowadzić do zmian w rogówce oka.

2. Tlenek węgla (CO) powstaje w wyniku niezupełnego spalania węgla. Jest niezwykle groźny, silnie toksyczny. Powoduje ciężkie zatrucia (zaczadzenie), a nawet śmierć organizmu.

3. Tlenek azotu (NO) ma działania toksyczne. Obniża odporność organizmu na infekcje bakteryjne, działa drażniąco na oczy i drogi oddechowe, jest przyczyną zaburzeń w oddychaniu, powoduje choroby alergiczne (m.in. astmę). Tlenki azotu (N0x) są prekursorami powstających w glebie związków rakotwórczych i mutagennych. W połączeniu z gazowymi węglowodorami tworzą w określonych warunkach atmosferycznych zjawisko smogu, znanego z Los Angeles, Londynu i Meksyku. Tlenki azotu, po utlenieniu w obecności pary wodnej, mają również udział w tworzeniu kwaśnych deszczów i ich niszczącym działaniu. podtlenek azotu (N₂O)

4. Wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne (WWA) powodują ostre i przewlekle zatrucia. W grupie węglowodorów aromatycznych duże zagrożenie stanowi benzopiren, ze względu na właściwości rakotwórcze.

5. Metale ciężkie odkładają się w szpiku kostnym, śledzionie i nerkach, uszkadzają układ nerwowy, powodują anemię, zaburzenia snu, agresywność, mogą wywoływać zmiany nowotworowe.

6. Pyły powodują podrażnienia naskórka i śluzówki. Niebezpieczne są pyły najdrobniejsze o wielkości cząstki do 5 μm, które z łatwością przenikają do organizmu wywołując jego zatrucie, zapalenia górnych dróg oddechowych, pylicę, nowotwory płuc, choroby alergiczne i astmę.

• Dopuszczalne stężenia i emisje w innych krajach.

1. Regulacje prawne, odnoszące się do terenu Polski.

Zasadniczą treścią wszystkich międzynarodowych konwencji dotyczących zanieczysz­czenia i ochrony atmosfery jest przekonanie, że każde państwo powinno tak przeprowadzić działalność na terenie własnego kraju, aby nie szkodziło środowisku w innych krajach. Prawne międzynarodowe zobowiązania Rzeczpospolitej Polskiej w sprawie ochrony powietrza przed zanieczyszczeniami regulują następujące dokumenty:

-„II Protokół Siarkowy" - „Protokół do Konwencji z 1979 roku w sprawie transgranicznego zanieczyszczania powietrza na dalekie odległości, dotyczący dalszego ograniczenia emisji siarki" - opublikowany przez Europejską Komisję Gospodarczą ONZ, podpisany w czerwcu 1994 roku w Oslo. Dokument ten nakłada na Polskę obowiązek zmniejszenia globalnej emisji SO₂ w stosunku do poziomu emisji z 1980 r. o następujące wartości: w 2000 r. - 37%; w 2005 r. - 47%; w 2010 r. - 66%.

- „Konwencja klimatyczna" Narodów Zjednoczonych w sprawie zmian klimatu, pod­pisana w Rio de Janeiro w 1992 r. i ratyfikowana przez Polskę w 1994 r. Zobowiązuje ona uczestników do stabilizacji emisji gazów cieplarnianych na poziomie 1990 r. (dla Polski przyjęto poziom emisji z 1988 r.).

- „Protokół azotowy" opracowany w Sofii w 1988 roku w sprawie zmniejszenia emisji tlenków azotu lub ich strumieni transgranicznych. Polska podpisała ten dokument, lecz go nie ratyfikowała, niemniej w energetyce od kilku już lat z powodzeniem są wdrażane pierwotne metody redukcji N0x.

-„Konwencja wiedeńska o ochronie warstwy ozonowej"- sporządzona w Wiedniu 22.03.1985 roku i obowiązująca Polskę od 1992 r.

Wewnętrzne uregulowania prawne w zakresie ochrony powietrza, to:

-Ustawa o ochronie i kształtowaniu środowiska z dnia 30.01.1980 roku (z późniejszymi zmia­nami);

- „Rozporządzenie Ministra Ochrony Środowiska, Zasobów Naturalnych i Leśnictwa" z dnia 28.04.1998 roku w sprawie dopuszczalnych wartości stężeń (emisji) substancji zanieczyszcza­jących powietrze atmosferyczne. Zostało ono wydane na podstawie ww. ustawy o ochronie i kształtowaniu środowiska, zmienionej ustawą z dnia 29.08.1997 r. Rozporządzenie to zastą­piło analogiczne rozporządzenie z dnia 12.02.1990 r. Normy emisji podane w rozporządzeniu mogą być zaostrzone przez terenowe organy administracji państwowej stopnia wojewódzkiego tak, aby nie powodowały przekroczeń limitów stężeń zanieczyszczeń (emisji) na danym terenie. - „Rozporządzenie Ministra Ochrony Środowiska, Zasobów Naturalnych i Leśnictwa" z 8.09.1998 roku w sprawie wprowadzania do powietrza substancji zanieczyszczających z procesów technologicznych i operacji technicznych;

- „Rozporządzenie Ministra Ochrony Środowiska, Zasobów Naturalnych i Leśnictwa" z 18.09.1998 roku w sprawie szczegółowych zasad ustalania dopuszczalnych do wpro­wadzania do powietrza rodzajów i ilości substancji zanieczyszczających oraz wymagań, jakim powinna odpowiadać dokumentacja niezbędna do wydania decyzji ustalającej rodzaje i ilości substancji zanieczyszczających dopuszczonych do wprowadzania do powietrza.




Tabl.3. Krajowe nowe normy imisji (stężeń) wybranych zanieczyszczeń w μg/m³.

Stężenie (imisja) - średnia ilość substancji zanieczyszczającej (w [μg, mg) w l m³ powietrza.

Wymagania wobec danego zakładu przemysłowego określa „Decyzja o dopuszczalnej emisji", wydawana na określony czas przez wojewodę. Decyzja ta przedstawia rodzaje i ilości substancji zanieczyszczających dopuszczonych do wprowadzania do powietrza przez zakład.

Orzecznictwo Sądu Najwyższego już w 1970 roku przyjęto, że zakład przemysłowy odpowiada na podstawie art. 435 § l k.c. za szkody spowodowane emitowaniem substancji trujących również wtedy, gdy stężenie ich nie przekracza administracyjnie ustalonych norm zanieczyszczeń.

W wielu krajach Europy oraz w USA i Japonii emisja zanieczy­szczeń jest od dawna objęta normami. Dopuszczalna emisja S0₂ lub dopuszczalna zawartość siarki w paliwie jest znormalizowana w szesnastu krajach, pyłu - w dwunastu krajach, tlenku azotu - w czternastu. Porównanie dopuszczalnych emisji zanieczyszczeń w różnych krajach nie jest proste. Wynika to stąd, że w poszczególnych państwach odmiennie traktuje się:

- strategie ekonomiczne;

- proporcje między poniesionymi kosztami a uzyskanymi korzyściami;

- potrzebę wprowadzenia technologii zmierzających do zmniejszenia emisji;

- rolę opinii publicznej;

- transgraniczne przenoszenie zanieczyszczeń.

Przy ustalaniu dopuszczalnych emisji na ogól jest przestrzegana zasada, że przepisy i wy­magania powinny być tak sformułowane, aby przemysł miał rozsądny czas na wprowadzenie technicznych i ekonomicznych sposobów ograniczenia emisji. Wartości dopuszczalnych emisji zanieczyszczeń ustalane są na podstawie znajomości stopnia szkodliwości zanieczyszczeń powietrza atmosferycznego. Zakłada się, że należy tak ograniczyć emisję, tak zlokalizować jej źródła oraz dobrać taką wysokość kominów, aby nie doprowadzić do przekroczenia dopuszczalnych stężeń zanieczyszczeń w powietrzu atmosferycznym.

Substancja	Okres pomiaru	Polska	Unia Europejska	Niemcy	Stany Zjednoczone
Pył zawieszony ogółem	30 min	350	-	-	-
		24 godz.	150	-	-	260
		rok	75	-	-	75
	Pył zawieszony o średnicy d ≤ 10 μg	30 min	280	-	-	-
		24 godz.	125 (od 2005r. 50)	250 (od 2005r. 50)	150-300	150
		rok	50 (od 2005r. 30) (od 2010r. 20)	80 (od 2005r. 30) (od 2010r. 20)	-	50
	SO2	30 min	500	(od 2005r. 350)	400 (3h)	650 (1h)
		24 godz.	150 (od 2005r. 125)	250-350 (od 2005r. 125)	140	365
		rok	40 (od 2005r. 30)	80-120 (2 lata po wejściu dyrektywy 30)	60	80
	NOx	30 min	500	200 (1h)	200 (1h)	-
		24 godz.	150	-	80	-
		rok	40	(2 lata po wejściu dyrektywy 30)	-	100
	CO	30 min	20000	-	30000(1h)	40000(1h)
		24 godz.	5000	-	10000(8h)	10000(8h)
		rok	2000	-	-	-

Tabela 2 Krajowe i zagraniczne normy stężeń wybranych zanieczyszczeń w μg/m³

• Technologia wytwarzania energii elektrycznej w konwencjonalnej elektrowni.

W konwencjonalnej elektrowni kondensacyjnej w procesie spalania następuje w kotle zamiana energii chemicznej paliwa na energię cieplną pary, w turbinie - zamiana energii cieplnej pary na energię kinetyczną (mechaniczną), a następnie w na­pędzanym przez turbinę generatorze - zamiana energii kinetycznej na energię elektryczną. Wytworzona w generatorze energia elektryczna jest transformowana na wysokie napięcie i przesyłana liniami elektroenergetycznymi do odbiorców.




Rysunek 1 Schemat procesu technologicznego elektrowni parowej i jego podział na najważniejsze układy: l- układ pałiwo-powietrze-spaliny; II- układ cieplny (parowo- wodny); Ul- układ chłodzenia; IV - układ wyprowadzenia mocy; l - palenisko; 2 - doprowadzenie paliwa; 3 - doprowadzenie powietrza do spalania; 4 - odprowadzenie żużla i popiołu: 5 - podgrzewacz wody: 6 - parownik; 7 - przegrzewasz pary: 8 - odprowadzenie spalin; 9 - turbina: 10 - skraplacz: 11 - pompa skroplin: 12 - zbiornik wody zasilającej: 13 - pompa wody zasilającej: 14- woda uzupełniająca: 15 - podgrzewacz wody zasilającej: 16 - chłodnia kominowa; 17 - pompa wody chłodzącej: 18 - uzupełniające źródło wody; 19 - prądnica; 20 - transformator blokowy: 21- transformator potrzeb własnych.

1. Wzbogacanie węgla kamiennego.

Bazę paliwową krajowej energetyki stanowi węgiel kamienny i brunatny. Węgiel składa się z substancji organicznej - palnej, z substancji mineralnej - popiół i żużel, i z wody. Z uwagi na ochronę środowiska ważne są cechy węgla czyli: wartość opałowa, zawartość popiołu i siarki oraz zawartość pierwiastków śladowych i promieniotwórczych. Wartość opałowa decyduje o ilości węgla jaką należy spalić w celu uzyskania określonej ilości energii elektrycznej i cieplnej. Zawartość popiołu decyduje o zapopieleniu spalin i ilościach usuwanego żużla. Zawartość siarki decyduje o zasiarczeniu atmosfery, a zawartość pierwiastków śladowych i promieniotwórczych o dodatkowej szkodliwości zarówno opadu popiołu na teren, jak i pyłów zawieszonych w atmosferze.

W związku z tym za pierwszy etap zmniejszenia emisji zanieczyszczeń można uznać wzbogacanie węgla kamiennego.

W węglu kamiennym siarka występuje przeważnie w postaci pirytu (FeS₂). Ponieważ piryt jest w przybliżeniu trzy - cztery razy cięższy niż węgiel kamienny, to można usunąć go w procesie mokrego wzbogacania węgla (hydrocyklony, wirówki).

Zawartość pirytu w węglu udaje się zmniejszyć o 10% w przypadku sortymentów grubych, oraz o 50% w przypadku miałów węglowych o wielkości ziaren węgla poniżej 3 mm. W wyniku mokrego wzbogacania miałów najbardziej zasiarczonego węgla z rejonu Jaworzna (2,8—3,3% siarki), można oczekiwać zmniejszenia zawartości siarki o 40% i zmniejszenia zawar­tości popiołu o 50%. Powoduje to wzrost wartości opałowej miałów węglowych o 20% i zmniejszenie zużycia paliwa netto o 22—23% (ze względu na wyższą sprawność kotłów przy bardziej kalorycznym paliwie i zmniejszenie zużycia energii elektrycznej na potrzeby własne przy przerobie o 20% zmniejszonej masie paliwa).

Tak więc proces mokrego wzbogacenia miałów węgla kamien­nego spowoduje zmniejszenie emisji dwutlenku siarki do atmo­sfery:

— o około 20% ze względu na zmniejszone zużycie wzbogaconego paliwa,

— o około 40% ze względu na zmniejszoną zawartość siarki we wzbogaconym paliwie,

co stanowi łącznie ok. 50% zawartości siarki w stosunku do jej zawartości w miale węgla kamiennego przed jego wzbogaceniem.

Występujące w procesie mokrego wzbogacania miałów węgla ka­miennego straty substancji palnej w wysokości 4—6% są kompen­sowane przez:

— większą sprawność kotłów przy bardziej kalorycznym paliwie;

— zmniejszenie zużycia energii elektrycznej na napęd urządzeń pomocniczych kotłów (młynów, wentylatorów) oraz instalacji nawęglania, odpylania, odpopielania i odżużlania przy przerobie o 20% zmniejszonej masie paliwa;

— zmniejszenie zużycia oleju opałowego na podtrzymywanie pło­mienia przy pracy kotłów w obszarze minimum węglowego — przez podwyższenie tego minimum wskutek spalania bardziej kalorycznego paliwa;

— zmniejszenie zużycia energii na transport węgla do elektrowni przez PKP o ok. 20%.

Analizy ekonomiczne wykazują, że koszty związane z budową instalacji mokrego wzbogacania miałów węgla kamiennego są porównywalne z kosztami budowy mokrej instalacji do odsiarczania spalin. W niektórych badaniach wykazuje się że koszty instalacji wzbogacania węgla są o 15 % tańsze niż instalacja mokrego odsiarczania. Koszty eksploatacyjne również są zbliżone. W przypadku stosowania wzbogaconego paliwa w ist­niejących elektrowniach, nakłady na budowę instalacji mokrego wzbo­gacania miałów węgla kamiennego zwracają się po 2,5 — 3,5 roku. Dane zagraniczne okres zwrotu nakładów inwestycyjnych określają na 0,7 roku do 4 lat

2. Odpylanie spalin

Odpylanie spalin polega na rozdzieleniu pyłu i gazu. Proces ten jest bardzo ważny ze względu na to, że większość metali ciężkich i ich tlenków zawarta jest w popiele lotnym rozproszonym w gazach spalinowych. Proces odpylania można podzielić na:

• kształtowanie ruchu gazu

• koagulację czyli łączenie pojedynczych ziaren w grupy

• separację czyli oddzielenie pyłu od gazu

• zagospodarowanie oddzielonego pyłu

Każdy z tych etapów może być prowadzony z wykorzystaniem różnych zjawisk fizycznych:

• grawitacyjnego opadania ziaren pyłu - komory osadcze

• bezwładności - koncentratory i odpylacze inercyjno-grawitacyjne

• działania na ziarna pyłu siły odśrodkowej powstającej podczas spiralnego ruchu gazu - cyklony, multicyklony

• działania na ziarna pyłu siły odśrodkowej w wyniku ruchu wirowego urządzenia - odpylacze wirnikowe

• procesu suchej filtracji - filtry tkaninowe

• procesu mokrej filtracji - płuczki, mokre cyklony

• zjawiska jonizacji gazu i pyłu oraz elektrostatycznego przyciągania różnoimiennie naładowanych ciał - elektrofiltry

• procesu koagulacji w polu akustycznym - koagulatory akustyczne.

Odpylaczem jest zespół urządzeń i części służących do odpylania spalin, znajdujących się pomiędzy początkiem wlotowego króćca odpylacza i końcem króćca wylotowego spalin oraz króćcami wylotowymi lejów zbiorczych pyłu.

Do urządzenia odpylającego zalicza się również:

— zespoły zasilające, urządzenia wentylacyjne pomieszczeń ze­społów zasilających i ewentualne urządzenia grzewcze — w przypadku elektrofiltrów — oraz łączniki, kable i oszynowanie przynależnych urządzeń;

— ewentualne obiegi wtórne lub inne urządzenia służące do zapew­nienia drożności roboczych elementów odpylaczy mechanicznych;

— przyrządy pomiarowe do określenia stopnia zapylenia spalin oczyszczonych.

Przy doborze urządzeń odpylających istotny jest skład pyłu opuszczającego palenisko, stopień zanieczyszczenia spalin, jakość zanieczyszczeń, wymagany stopień oczyszczenia i warunki lokalne. W elektrowniach i elektrociepłowniach stosuje się przede wszystkim:

• elektrofiltry

• cyklony i multicyklony

• odpylacze tkaninowe

• odpylacze wielostopniowe, składające się z kombinacji odpylacza mechanicznego i elektrofiltra




Rysunek 2 Skuteczność działania urządzeń odpylających w zależności od grubości ziarna pyłu.

W dużych elektrowniach kondensacyjnych i elektrociepłowniach krajowych, z reguły są stosowane elektrofiltry poziome (ponad 90% wszystkich urządzeń odpylających). Problem oczyszczania spalin jest obecnie rozpatrywany bardziej kompleksowo, z uwzględnieniem wszystkich podstawowych elemen­tów, tj. odpylania, odsiarczania, ograniczania ilości tlenków azotu oraz odprowadzania spalin do atmosfery (rodzaj i wysokość kominów).

1. Elektrofiltry

Elektrofiltr składa się z dwu zespołów:

— odpylacza elektrostatycznego;

—zespołu zasilającego, którego zadaniem jest wytworzenie dostatecznie wyso­kiego napięcia wyprostowanego (30 — 80 kV).

Działanie elektrofiltru można w uproszczeniu przedstawić w na­stępujący sposób. Zapylone spaliny przepływają z małą prędkością między elektrodami zbiorczymi (osadczymi). Z elektrod ulotowych (emitujących) po przyłączeniu wysokiego napięcia wydzielają się elektrony. Elektrony są przyciągane przez dodatnie elektrody zbiorcze (osadcze) i poruszają się w ich kierunku z dużą prędkością. W czasie tego ruchu elektrony uderzają w neutralne cząstki spalin, wytrącając z nich dalsze elektrony, które z kolei powodują wytrącanie elektronów z innych cząstek spalin. Zjawisko to, nazywane wyładowa­niem koronowym, zanika w pewnej odległości od elektrody ulotowej, dając w rezultacie duże ilości wolnych elektronów oraz dodatnio naładowane cząstki spalin.

Naładowane dodatnio w strefie wyładowania koronowego cząstki spalin są przyciągane przez ujemną elektrodę ulotową i osadzają się na niej, odzyskując utracone elektrony.

Elektrony powstałe w strefie wyładowania koronowego osadzają się poza tą strefą na neutralnych cząstkach spalin, ładując je ujemnie. Wytworzone w ten sposób ujemne jony gazowe osadzają się z kolei na zawartych w spalinach ziarnach pyłu i przekazują im swój ładunek.

Naładowane ujemnie ziarna pyłu poruszają się wskutek działania sił pola elektrycznego w kierunku dodatniej elektrody zbiorczej i osadzają się na niej. Pył, który osiadł na elektrodzie zbiorczej, na skutek mechanicznego poruszania (strzepywania) tą elektrodą, opada do leja umieszczonego na dole elektrofiltru. Oczyszczone spaliny, za pośred­nictwem wentylatora spalin są odprowadzane do komina.

Teoretyczną skuteczność odpylania elektrofiltru można określić wg wzoru Deutscha




w którym:

F— powierzchnia elektrod zbiorczych, m²;

V — natężenie przepływu spalin przez elektrofiltr, m³/s;

w — prędkość przemieszczania się cząstek pyłu w polu elektrycznym, m/s.

lub




w którym:

u_e — prędkość osiadania ziaren [m/s ]

l — długość pola [m]

s — odległość między elektrodą ulotową i zbiorczą [m],

v — prędkość przepływu spalin [m/s].

Przez eksploatacyjną skuteczność odpylania rozumie się stosunek masy pyłu zatrzymanego w jednostce czasu w urządzeniu odpylającym do masy pyłu wprowadzonego łącznie z gazem w jednostce czasu do urządzenia odpylającego.

Potrzebną skuteczność odpylania dla danego obiektu ustala się na podstawie obliczeń rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń.

Do zalet elektrofiltrów należą:

— możliwość uzyskania bardzo dużych skuteczności odpylania, dochodzących do 99,9%;

— możliwość odpylania w sposób ciągły bardzo znacznych ilości spalin;

— minimalna liczba części ruchomych;

— najmniejsze opory przepływu w porównaniu z innymi odpyla­czami;

Natomiast wadami elektrofiltrów są:

— duży koszt wytwarzania, zwłaszcza zespołów zasilających;

— duża czułość na zmiany natężenia przepływu odpylanych spalin;

• duża czułość na zmiany temperatury i wilgotności spalin;

• duża czułość na zmiany charakterystyki pyłu, zwłaszcza jego rezystywności (oporu właściwego).

Każdy elektrofiltr może być podzielony na dwie lub więcej komór a każda komora może mieć jedną lub więcej sekcji. W kierunku prostopadłym do przepływu spalin wyróżnia się w elektrofiltrze l do 4 stref odpylania. Liczba stref odpylania oraz ich podział pod względem elektrycznym i mechanicznym zależy od takich czynników jak:

— warunki lokalne (np. nie pozwalają na rozbudowę elektrofiltru w płaszczyźnie prostopadłej do kierunku przepływu spalin, co powoduje konieczność jego wydłużenia w kierunku zgodnym z przepływem);

— wahania właściwości substancji gazowo-pyłowej (np. zmienność stężenia pyłu w spalinach).

W przypadku, gdy jest wymagana szczególnie duża skuteczność odpylania, pojedyncze strefy dzieli się na sekcje z indywidualnym zasilaniem elektrycznym. Dzięki temu wyrównuje się obciążenie prądowe w poszczególnych strefach, wynikające z różnic w stężeniach zapylenia i uzyskuje się większe średnie skuteczności odpylania.

Częstotliwość strzepywania pyłu z elektrod zbiorczych powinna być nastawiona dla każdej strefy, w zależności od przyczepności pyłu. Konieczność indywidualnego nastawiania częstotliwości strzepywania wynika z malejącego stężenia pyłu w kierunku przepływu. Na przykład dla jednego z krajowych elektrofiltrów dostawca gwarantował usuwanie następujących ilości pyłu z lejów dla poszczególnych stref:

I strefa —33,9 kg/s;

II strefa — 6,08 kg/s;

III strefa— 1,1 kg/s.

Na podstawie badań stwierdzono, dużą zależność między zjawiskami zachodzącymi w kotle a pracą elektrofiltra. Skuteczność odpylania zmniejsza się przy większej zawartości tlenku węgla i lotnego koksiku.

Eksploatacja elektrofiltrów. Niejednokrotnie można się spotkać z opinią, że problem przeciwdziałania zanieczyszczeniu powietrza atmosferycznego pyłem został technicznie całkowicie rozwiązany, dzięki produkcji elektrofiltrów o skuteczności odpylania do 99,5%, a nawet 99,9%. Jest to niestety tylko częściowo prawdziwe, gdyż nie można zapominać o tym, że:

• elektrofiltry o tak dużej skuteczności (a nawet mniejszej, jak 98 — 99%) są w kraju produkowane dopiero od 1965 r., a ich skuteczność eksploatacyjna jest oczywiście mniejsza;

• w eksploatacji znajduje się duża liczba elektrofiltrów starych o znacznie mniejszej skuteczności (np. ≤ 90%);

• wszystkie urządzenia, a więc i te najlepsze elektrofiltry starzeją się, tracąc z czasem swoje początkowe parametry;

• często spala się węgle o gorszych właściwościach niż zakładano w projekcie (co powoduje zmniejszenie skuteczności odpylania na skutek zwiększenia natężenia przepływu spalin);

• eksploatacja elektrofiltrów nie zawsze zapewnia ich maksymalną skuteczność (np. z powodu awarii bądź wad urządzeń odpopielających i wynikającego z tego nierównomiernego odprowadzania popiołu z lejów zbiorczych elektrofiltru).

Na podstawie badań, prowadzonych m.in. również w Polsce, stwierdzono znaczny wpływ warunków eksploatacji kotłów oraz elektrofiltrów na proces odpylania. Ustalono wyraźną zależność między poszczególnymi zjawiskami zachodzącymi w kotle (nadmiarem powietrza, szybkością spalania węgla, rozkładem temperatury w komorze paleniskowej itp.) a skutecznością odpylania spalin. Stwierdzono m.in. zmniejszenie skuteczności odpylania przy większej zawartości niedopału i tlenku węgla (powodujących obniżenie napięcia przeskoku).

Ogólnie można stwierdzić, że wszystko to, co wpływa negatywnie na pracę kotła, również ujemnie wpływa na działanie elektrofiltru.

Zgodnie z dyrektywami Unii Europejskiej dopuszczalne stężenie pyłu na wylocie z komina dla dużych kotłów wynosi 50 mg/norm, m³. Spełnienie tego wymagania wymusza stosowanie odpylaczy o skuteczności ok. 99,5%. Mogą to zapewnić czteropolowe lub pięciopolowe (a więc długie) elektrofiltry bądź filtry tkaninowe.

Tabela 3 Skuteczność zatrzymywania mikroelementów w odpylaczach spalin (dane USA), wg []

Pierwiastek	Procent wydzielania w:
		elektrofiltrze	filtrze tkaninowym
Arsen (As)	98,43	99,94
Kobalt (Co)	99,79	99,95
Chrom (Cr)	99,8	99,70
Rtęć (Hg)	60,00	67,14
Mangan (Mn)	94,23	99,94
Nikiel (Ni)	96,33	99,83
Selen (Se)	97,16	98,52
Uran (U)	99,50	99,93
Wanad (V)	99,91	99,95
Cynk (Zn)	99,73	99,93

Obecnie stosuje się 9 głównych sposobów modernizacji elektrofiltrów:

1. Dobudowanie szeregowo do istniejącego elektrofiltru, np. dwu-polowego, nowego dwupolowego - jeśli jest na to miejsce.

7. W razie braku możliwości przedłużenia elektrofiltru przez dobudowanie za istniejącym dodatkowych pól, należy zastosować wyższe elektrody w podwyższonych komorach. Pozwala to zazwyczaj na wykorzystanie dotychczasowych fundamentów, gdyż budowane obecnie elektrofiltry są znacznie lżejsze. Pomimo zwiększenia objętości, masa elektrofiltru niewiele wzrasta.

8. Dobudowanie równolegle do istniejącego elektrofiltru nowego elektrofiltru o takiej skuteczności, aby praca dwóch zapewniała zachowanie dopuszczalnego stężenia pyłu na wlocie do komina.

9. Dobudowanie multicyklonów o dużej skuteczności przed ist­niejącym elektrofiltrem, mimo że zwykle powoduje to konieczność wymiany wentylatorów spalin w celu pokonania zwiększonych oporów przepływu spalin. Ten sposób może być stosowany szczególnie w przypadku kotłów szczytowych (w elektrociepłowniach), gdyż przy częstych uruchomieniach, kiedy elektrofiltry nie pracują, emisja pyłu jest ograniczana przez multicyklony.

10. W przypadku braku miejsca i wykorzystania istniejącego komina należy zdemontować stary elektrofiltr i zainstalować nowy o wymaganej skuteczności. Jest to rozwiązanie najdroższe i najbardziej czasochłonne, a na jego realizację trzeba wielu miesięcy.

11. Dobudowanie nowego elektrofiltru przeznaczonego do współpracy z elektrofiltrem istniejącym, ale zbudowanie go na wolnym terenie, np. za kominem, a nawet za wentylatorami spalin. Zaletą takiego rozwiązania jest możliwość zarówno wykorzystania starego elektrofiltru, jak i prowadzenia budowy nowego elektrofiltru podczas pracy kotła, który zostaje wyłączony z ruchu tylko na krótki czas dokonywania przełączeń.

12. Zastosowanie impulsowego układu zasilania elektrofiltru jako zabiegu modernizacyjnego polepszającego jego skuteczność.

13. We wszystkich zamierzonych modernizacjach elektrofiltrów należy rozważyć możliwość zastosowania odpylaczy filtracyjnych. Zaletą ich jest bardzo duża skuteczność (do 99,9%) przy mniejszych gabarytach niż elektrofiltru o takiej samej skuteczności. Na miejscu starego dwupolowego elektrofiltru można zainstalować odpylacz tkaninowy o skuteczności 99,9%, a więc spełnić najostrzejsze wymagania w tym względzie.

14. W wypadku braku miejsca możliwe jest „piętrowe" ustawienie elektrofiltrów. Takie rozwiązanie zastosowane w elektrowni Novajo w Arizonie. Elektrownia ta została wyposażona przez amerykańską JOY Manufacturing Co. w trzy dwupolowe elektrofiltry „piętrowe" każdy o skuteczności 99,5%, przy natężeniu przepływu spalin (z węgla kamiennego) wynoszącym 6,7 min m³/h. Każdy elektrofiltr ma 64 m wysokości, 67 m szerokości i 32 m długości. Są to elektrofiltry tzw. „gorące", czyli umieszczane w ciągu gorących spalin. Usytuowano je przed podgrzewaczami powietrza kotłowego, gdyż węgiel kamienny zawierał mało siarki i spaliny z niego mogły być odpylone z dużą skutecznością jedynie przy gorących spalinach. Elektrofiltry te pracują od 1975 r. Budowa ich trwała 3 lata.




Rysunek 3 „Piętrowe" ustawienie elektrofiltrów w amerykańskiej elektrowni Navajo 1 — wlot spalin, 2 — podgrzewacz powietrza, 3 — wylot spalin

1. Mechaniczne i filtracyjne odpylacze spalin

Odpylacze mechaniczne są szeroko stosowane w tzw. małej energetyce, tj. w elektrociepłowniach i ciepłowniach przemysłowych oraz w starych elektrociepłowniach i ciepłowniach komunalnych. Moc zainstalowana w 207 elektrociepłowniach przemysłowych (ok. 3100 MW) stanowi prawie 10% mocy Krajowego Systemu Elektroenergetycznego.

Odpylacze filtracyjne są najnowszym rozwiązaniem w technice odpylania spalin (mają skuteczność do 99,9%) i zaczyna się stosować je w Polsce (np. w EC Zabrze II uzyskując skuteczność 99,8%).

Podział popiołu zawartego w paliwie podczas procesu spalania na żużel i popiół lotny (pył) zależy od rodzaju paleniska kotłowego i rodzaju paliwa (tabl. 4).

Podane wartości dotyczą krajowych elektrowni i elektrociepłowni zawodowych (CIE „Emitor" 1994 r.), przy czym dane dla palenisk cyklonowych wzięto z literatury.

Tabela 4 Podział popiołu zawartego w paliwie

Rodzaj paleniska	Rodzaj węgla	Pył, %	Żużel, %
Rusztowe Pyłowe Pyłowe Z ciekłym odżużlaniem Cyklonowe	kamienny kamienny brunatny kamienny kamienny	13÷25 76÷90 85÷94 55 10÷30	75÷87 10÷24 6÷15 45 70÷90

W niektórych przypadkach, np. w Elektrowni Turów z paleniskami pyłowymi na węgiel brunatny wykazano, że zawartość pyłu wynosi 99%, żużla zaś 1%. Dane dla palenisk z ciekłym odżużlaniem pochodzą z jednej elektrowni (Zabrze I); w literaturze podawane są: pył 60-70%, żużel 30-40%.

W zależności od zasady działania odpylacze spalin mogą być podzielone na:

• odpylacze mechaniczne suche,

• odpylacze mechaniczne mokre,

• odpylacze elektrostatyczne,

• odpylacze filtracyjne.

Do odpylaczy mechanicznych suchych należą odpylacze wykorzystujące:

• siłę ciężkości (grawitacyjne) — komory osadcze, odpylacze żaluzjowe;

• siłę bezwładności — odpylacze inercyjne;

• siłę odśrodkową — cyklony, cyklony bateryjne, multicyklony.

Odpylacze mechaniczne mokre to różnego rodzaju płuczki (skrubery), w których wymienione siły są spotęgowane przez uprzednie nawilżenie cząstek stałych, powodujące zwiększenie ich masy.

Odpylacze filtracyjne wykorzystują zjawisko osadzania się zawartych w spalinach cząstek stałych na porowatej przegrodzie filtracyjnej (membranie), przepuszczającej spaliny pozbawione tych cząstek. Przegrodami filtracyjnymi są tkaniny, membrany pochodzenia organicznego (np. polimery) i membrany pochodzenia nieorganicznego (np. spieki metali i spieki ceramiczne).

Wielkościami charakterystycznymi odpylaczy spalin są:

• skuteczność odpylania spalin;

• opór aerodynamiczny, jaki stawiają one przepływającym przez nie spalinom;

• zużycie energii elektrycznej przez wentylatory spalin na pokonanie oporu aerodynamicznego odpylaczy i na wytworzenie pola elektrostatycznego (w przypadku elektrofiltrów);

• dyspozycyjność (ujmująca awarie i remonty);

• zajmowana powierzchnia i przestrzeń;

• nakłady inwestycyjne;

• roczne koszty eksploatacyjne;

• koszty wychwycenia l tony pyłu.

Rozróżnia się skuteczność odpylacza:

• gwarantowaną,

• średnioroczną.

Gwarantowana skuteczność odpylacza jest określona w kontrakcie na jego dostawę. Warunki przeprowadzenia jej pomiaru są również podane w kontrakcie, przy czym wykonawca pomiaru powinien być niezależny zarówno od dostawcy odpylacza, jak i od kupującego (inwestora). Za niedotrzymanie skuteczności gwarantowanej odpylacza są przewidziane określone kary w umowie na jego dostawę.

Warunki eksploatacyjne sprawiają, że przeciętna ruchowa skuteczność odpylacza jest zawsze mniejsza od skuteczności gwarantowanej. Określa się wiec skuteczność średnioroczną, gdyż dopiero w takim okresie można uwzględnić wszystkie odstępstwa od znamionowych warunków pracy odpylacza.

Skuteczność średnioroczna jest mniejsza niż skuteczność gwarantowana i różni się od niej od ok. 0,5% dla najlepszych, najnowszych elektrofiltrów, do kilku procent (5—10%) dla starych, mało skutecznych cyklonów.

Na przykład przy skuteczności gwarantowanej elektrofiltrów w Elektrowni Bełchatów wynoszącej 99,6% ich średnioroczna skuteczność w ciągu 7 lat (1990-1996 r.) wyniosła 99,2%. Cyklony o skuteczności gwarantowanej 85% wykazują skuteczność średnioroczną 75%, a nawet 70%.

Przepisy krajowe określają dopuszczalne stężenie w powietrzu atmosferycznym:

• pyłu zawieszonego przy powierzchni ziemi, tj. pyłu o granulacji mniejszej niż 10 μm, jako najgroźniejszego dla zdrowia ludzi, gdyż wnikającego do płuc;

• opadu pyłu całkowitego, tj. wszystkich jego frakcji na powierzchni terenu. Znajomość składu granulometrycznego pyłu za odpylaczem jest niezbędna, ponieważ prędkość opadania pyłu zależy od średnicy cząstek i ich gęstości. Frakcje stanowią wartość wejściową do programów komputerowych do obliczania imisji pyłów i ich opadu na teren.

1. Odpylacze mechaniczne suche

Do odpylaczy mechanicznych suchych należą: komory osadcze, odpylacze żaluzyjne, cyklony, cyklony bateryjne i multicyklony.

W komorze osadczej, w której następuje zmniejszenie prędkości przepływu spalin wskutek zwiększenia jej przekroju w porównaniu z przekrojem kanału doprowadzającego spaliny, na jej dnie osadzają się grube frakcje pyłu w wyniku działania siły ciężkości.

Podobnie jest w przypadku gwałtownej zmiany kierunku przepływu spalin oraz postawienia na ich drodze przegród mechanicznych w postaci prętów, żaluzji itp. Tu działa siła bezwładności. Odpylacze te są zwane również odpylaczami inercyjno-uderzeniowymi. W pracy tego rodzaju odpylaczy oprócz średnicy cząstek pyłu ważna jest również ich gęstość, bowiem ciężkie cząstki pyłu łatwiej opadają pod wpływem siły grawitacji i siły bezwładności.

Stosowanie półek w komorach osadczych polepsza skuteczność odpylania spalin, gdyż przy tej samej prędkości spalin droga opadania cząstek pyłu jest dużo mniejsza. Trudne jest jednak usuwanie pyłu gromadzącego się na półkach. Z tego względu stosowane są półki skośne i półki ruchome. Przy prędkości spalin w komorze osadczej ok. l m/s, skuteczność odpylania osiąga 75% dla cząstek pyłu o średnicy powyżej 30 μm. Opory przepływu wynoszą 100—400 Pa. Komory osadcze dobrze pracują przy średnicy cząstek pyłu powyżej 50—100 μm.




Rysunek 4 Odpylacze inercyjno-uderzeniowe z wykorzystaniem: a) i d) zmiany prędkości;
b) zmiany kierunku; c) przegród; e) zmiany kierunku z wlotem centralnym

Z charakteru pracy komór osadczych i odpylaczy żaluzjowych widać, że przechodzą przez nie prawie bez wychwycenia cząstki najdrobniejsze (o średnicy mniejszej od 10 μm), tworzące pył zawieszony. Komory osadcze i odpylacze żaluzyjne nie są już obecnie używane do odpylania spalin kotłowych.

Cyklony, cyklony bateryjne i multicyklony należą do odpylaczy wykorzystujących siłę odśrodkową. Wpływające do nich zapylone spaliny są wprowadzane w ruch obrotowy. Powstająca siła odśrodkowa działa na cząstki zawartego w nich pyłu, odrzucając je na ścianki odpylacza, skąd siła ciężkości sprowadza je do leja pyłowego w dolnej, stożkowej części odpylacza. Cząstki pyłu wychwycone ze spalin z leja pyłowego są odbierane przez instalację odpopielania kotłowni (hydrauliczną, pneumatyczną, mechaniczną itp.).

Skuteczność odpylaczy bezwładnościowych jest proporcjonalna do masy cząstki pyłu, do kwadratu prędkości spalin w odpylaczu, a odwrotnie proporcjonalna do średnicy odpylacza. Zależność ta doprowadziła do powstania cyklonów bateryjnych i multicyklonów. Jeśli zamiast zastosowania jednego cyklonu strumień spalin podzieli się na dwa lub trzy cyklony połączone równolegle, to skuteczność odpylania spalin wzrośnie dzięki zmniejszeniu się średnicy cyklonu. Zwiększy się ona jeszcze bardziej, gdy zamiast jednego cyklonu strumień spalin podzieli się np. na 20 cyklonów; powstanie wówczas multicyklon

2. Odpylacze mechaniczne mokre

Odpylacze mechaniczne mokre w najprostszej postaci jako płuczki (skrubery) w pewnym okresie były stosowane do odpylania spalin kotłowych, zarazem je odsiarczając.




Rysunek 5 Płuczki (skrubery):a) pionowa jednozraszaczowa; b) pionowa wielozraszaczowa; c) pozioma wielozraszaczowa

Spaliny są doprowadzane od dołu, a rozpylana woda — od góry. Skuteczność odpylania (i odsiarczania) spalin zależy od czasu kontaktu cząstek pyłu (i dwutlenku siarki) z wodą, prędkość spalin musi być więc mała, co wymaga stosowania płuczek o znacznych wymiarach. Skuteczność odpylania spalin sięgała 80%, a odsiarczania 30—50%. Opory przepływu spalin są niewielkie, 100 — 300 Pa, a zużycie wody duże — do 5 l/norm, m³. Ścieki z płuczek, zawierające pył w postaci szlamu oraz kwas siarkowy i kwas siarkawy, były zrzucane do rzek bez oczyszczania, gdyż proces ich oczyszczania był skomplikowany i drogi. Znaczne ochłodzenie spalin (o ok. 100°C) obniżało ich temperaturę poniżej punktu rosy — ze wszystkimi tego konsekwencjami dla kanałów spalin i komina (korozja) a także eliminowało termiczne wyniesienie spalin. Pomimo częściowego odsiarczania spalin, imisja dwutlenku siarki wokół elektrowni była większa niż przed stosowaniem płuczek spalin. Korozji płuczek próbowano przeciwdziałać wykonując je z miedzi. Wszystkie komplikacje tego sposobu odpylania (i odsiarczania) spalin spowodowały, że został on w energetyce zaniechany.

Płuczka wodna była prototypem absorbera — podstawowego elementu instalacji odsiarczania spalin.

Odmianą płuczki jest tzw. płuczka uderzeniowa, przedstawiona na W tej odmianie zapylone spaliny o dużej prędkości (30—40 m/s) wypływają z przewodu zakończonego dyszą i uderzają Rysunek 6 Płuczka uderzeniowa


w zwierciadło wody, wypełniającej dolną część płuczki. Zachodzi tu zjawisko barbotażu, tj. przepływu gazu (spalin) przez ciecz. Cząsteczki pyłu zostają nawilżone, stają się ciężkie i opadają na dno płuczki; stąd są odprowadzane w postaci szlamu. Odpylone spaliny zmieniają kierunek przepływu przez płuczkę i są odprowadzane do komina. Skuteczność takich płuczek sięga 98—99%. Cyklony mokre eliminują podstawową wadę cyklonów suchych tzw. pylenie wtórne. Sprawność cyklonów mokrych jest większa niż analogicznych cyklonów suchych i osiąga 90—95% przy średnicy cyklonu ok. 1,2 m i prędkości spalin ok. 25 m/s. Przy większych średnicach i mniejszych prędkościach spalin skuteczność cyklonów mokrych maleje. Przy większym natężeniu przepływu spalin są tworzone baterie cyklonów mokrych połączonych równolegle, aby uzyskać dużą ich skuteczność. Opór aerodynamiczny cyklonów mokrych jest mały i wynosi 300 — 500 Pa, a zużycie wody również niewielkie, wynosi około 0,1—0,2 l/norm, m³.

3. Odpylacze filtracyjne

Do odpylaczy filtracyjnych należą odpylacze tkaninowe i ceramiczne. W odpylaczach tkaninowych zapylone spaliny po zmianie kierunku przepływu, są wprowadzane do przestrzeni, w której znajdują się filtracyjne worki tkaninowe. Najgrubsze frakcje pyłu wskutek zmiany kierunku przepływu spalin są z nich wytrącane i spadają do leja pyłowego. Pozostałe frakcje osiadają na zewnętrznej powierzchni worków. Oczyszczone spaliny przenikają przez filtracyjną tkaninę worków do ich wnętrza, połączonego z wylotem spalin oczyszczonych z pyłu. Okresowo, po osadzeniu się warstwy pyłu na zewnętrznej powierzchni worków, są one wstrząsane mechanicznie lub przez sprężone powietrze doprowadzane do ich wnętrza. Powierzchnia ich podczas te­go zabiegu pulsuje i dlatego odpylacze te są często zwane odpylaczami pulsacyjnymi. Jeszcze inna ich nazwa to odpylacze workowe — od kształtu nadawanego tkaninie filtracyjnej. Worki filtracyjne mają długość przekraczającą nawet 8 m.
f
v-^1	l







Rysunek 7 Odpylacz tkaninowy kieszeniowy

Rysunek 8 Zasada działania odpylacza tkaninowego workowego pulsacyjnego z przepływem spalin do wnętrza worka

l — wlot spalin zapylonych,

2 — worek tkaninowy,

3 — doprowadzenie powietrza do wstrząsania wor­kami (pulsacji),

4 — lej pyłowy,

5 — wylot spalin odpylonych

Z zasady działania odpylaczy tkaninowych wynika, że stawiają one dość duży opór aerodynamiczny przepływowi spalin. Wynosi on 300—800 Pa. Opory przepływu oczywiście zwiększają się w miarę zbierania się coraz grubszej warstwy pyłu na zewnętrznej powierzchni worków, a maleją po ich wstrząśnięciu, kiedy pył opadnie do leja pyłowego.

Skuteczność odpylaczy tkaninowych jest bardzo duża, nawet przy najdrobniejszych cząstkach pyłu, i osiąga 99,9%. Zaletą ich jest również to, że zajmują one mniej miejsca niż odpylacze elektrostatyczne.

Odpylacze tkaninowe początkowo wykonywano z bawełny i wełny, co powodowało, że mogły one pracować w temperaturze spalin do 90°C. Z tego względu nie mogły być stosowane do odpylania spalin kotłowych. Gdy tkaniny filtracyjne rozpoczęto wykonywać z włókien syntetycznych, szklanych i mineralnych, sytuacja się zmieniła. Obecnie tkaniny poliamidowe, polietylenowe i pochodne dopuszczają bezpieczną temperaturę pracy przekraczającą 200°C, mogą więc być stosowane do odpylania spalin kotłowych. Na rynku są one znane pod różnymi nazwami firmowymi, np. nomex (polimer aromatyczny), reton, dralon, mogą pracować w temperaturze 210°C, a teflon (polimer czterofluoroetylenu) — w temperaturze 250°C. Odpylacze z obu tych tkanin filtracyjnych wykazują dobrą odporność chemiczną na działanie kwasów i zasad. Tkaniny filtracyjne z włókien szklanych mogą bezpiecznie pracować w temperaturze 300°C, a tkaniny filtracyjne z włókien mineralnych — w temperaturze 500°C.

Odpylacze tkaninowe charakteryzuje również prędkość przepływu spalin przez tkaninę filtracyjną oraz tzw. jednostkowe obciążenie tkaniny filtracyjnej, określające natężenie przepływu spalin przez l m² tej tkaniny w jednostce czasu. Wyrażane jest ono w m³/m²h lub w m³/m²s. Waha się ono od 30 do 300 m³/m²h w zależności od charakterystyki pyłu (średnice cząstek, stężenie pyłu w spalinach, jego wilgotność itd.) i tkaniny (materiał, jego porowatość, splot itd.). Temu jednostkowemu obciążeniu tkaniny odpowiada prędkość przepływu przez nią spalin wynosząca 0,8 — 8 cm/s przy oporze aerodynamicznym 200—1500 Pa. Im jednostkowe obciążenie tkaniny filtracyjnej jest mniejsze, tym mniejsza jest prędkość przepływu przez nią spalin, co powoduje, że powinny być większe zarówno powierzchnia filtracyjna, jak i wymiary zewnętrzne odpylacza tkaninowego. Okres trwałości tkanin wynosi 4—5 lat eksploatacji.

Oprócz odpylaczy workowych w kształcie cylindrów o średnicach 100—400 mm i długości l —8 m, są stosowane odpylacze kieszeniowe o dużych, równoległych bokach. Umożliwiają one lepsze wykorzystanie przestrzeni odpylacza.

Proces filtracji ulega poprawie dzięki zastosowaniu tzw. filców igłowych zamiast tkanin. Wykazują one większą porowatość (0,5—0,8) w porównaniu z tkaninami filtracyjnymi (0,2—0,4).

Oczyszczanie tkanin filtracyjnych z pyłu nagromadzonego na nich odbywa się dwoma sposobami:

• mechanicznym przez strzepywanie i wibrację,

• pneumatycznym przez pulsacyjny przepływ sprężonego powietrza w kierunku przeciwnym do kierunku przepływu spalin.

Czasami są wykorzystywane oba sposoby łącznie. Najlepsze wyniki daje ostatnio stosowany sposób indywidualnego czyszczenia każdego worka przez uderzeniową falę sprężonego powietrza o wysokim ciśnieniu, impuls taki trwa 0,l — 0,2 s i jest powtarzany co 10 — 30 min. Przy takim sposobie oczyszczania worków opór aerodynamiczny odpylacza tkaninowego waha się od 800 do 1200 Pa, a jednostkowe obciążenie tkaniny filtracyjnej dochodzi do 500 m³/m²h.

Niemiecka firma Noell-KPC oferuje odpylacze tkaninowe o skuteczności 99,99%, na natężenie przepływu spalin do 5 mln m³/h w temperaturze od —40 do 5 50° C i od podciśnienia l kPa do ciśnienia 3 MPa. W duńskiej elektrowni Strudstrup o mocy 4 x 350 MW, opalanej węglem kamiennym o zawartości 2,5% siarki i wyposażonej w półsuchą instalację odsiarczania spalin firmy Niro-Atomizer, przed absorberami zastosowano elektrofiltry do wstępnego odpylenia spalin (o skuteczności 95%), a za absorberami — odpylacze tkaninowe, ograniczające zapylenie spalin przed wlotem do komina do 5 —10 mg/norm, m³. Taki odpylacz tkaninowy dla bloku energetycznego o mocy 350 MW na natężenie przepływu l min norm. m³/h spalin składa się z 8640 worków o łącznej powierzchni odpylania 24 200 m². Są to największe na świecie odpylacze workowe.

Odpylacze ze spieków metali (chromu i niklu) i ze stali nierdzewnej wytrzymują temperaturę ok. 800°C. Mają one zastosowanie analogiczne jak opisane poniżej odpylacze ceramiczne.

Do grupy odpylaczy filtracyjnych zalicza się odpylacze ceramiczne, w których warstwę filtracyjną tworzą spieki ceramiczne. Charakteryzują się one doskonałą skutecznością odpylania spalin, dochodzącą do 99,99% w bardzo wysokiej temperaturze spalin (do 1100°C). Opór aerodynamiczny przepływu przez nie również jest bardzo duży. Prędkość przepływu spalin przez odpylacze ceramiczne wynosi 3—4 cm/s, a opór aerodynamiczny ok. 1200 Pa.

Odpylacze ceramiczne są stosowane w elektrowniach gazowo-parowych, zużywających gaz ze zgazowania paliw stałych (węgla kamiennego i brunatnego). Spaliny z tego gazu zawierają pył, gdyż wsad do procesu zgazowywania zawiera popiół. Muszą one zostać z niego oczyszczone, mimo bardzo wysokiej temperatury, przed dalszym jego wykorzystaniem w turbinach gazowych i w kotłach odzysknicowych.

Zalety filtra workowego:

• wysoka skuteczność

• potrzebna niewielka przestrzeń

• niski koszt zainstalowania

• dogodne warunki konserwacji.

1. Wpływ instalacji odsiarczania spalin na pracę odpylaczy

Obecnie podczas modernizacji i rewitalizacji kotłowni instaluje się lub przewiduje się zastosowanie różnych rodzajów instalacji odsiarczania spalin. Instalacje te jednak wpływają na procesy odpylania spalin i dlatego poniżej przedstawiono ten wpływ.

W przypadku suchej wapniowej metody odsiarczania spalin, spaliny oprócz pyłu powstałego z zawartego w paliwie popiołu są dodatkowo obciążane ładunkiem zanieczyszczeń, jakie stanowią produkty reakcji odsiarczania spalin, tj. siarczanem wapnia (CaS0₄) i siarczynem wapnia (CaSO₃), a także produktami ubocznymi, które zawiera użyty jako addytyw kamień wapienny lub mączka wapienna.

Z obliczenia stechiometrycznego wynika:

CaO + SO₂ = CaSO₃

(40+16) kg+(32+2*16) kg = (40+32+3*16) kg

56 kg + 64 kg = 120 kg

a więc l kg SO₂, daje *1,875 kg CaSO₃. (120/64=1,875)

Biorąc pod uwagę, że handlowa mączka wapienna zawiera ok. 95% CaO, można przyjmować, że l kg dwutlenku siarki w wyniku spalenia 0,5 kg siarki S zawartej w paliwie, powoduje powstanie w przybliżeniu 2 kg odpadów z tego procesu. Są one porywane przez spaliny, zwiększają stężenie pyłu w spalinach i powinny zostać wychwycone przez odpylacz. Aby stężenie pyłu w spalinach za odpylaczem było identyczne jak przed stosowaniem suchego odsiarczania spalin, skuteczność odpylacza musi być większa.

Tak byłoby przy 100% skuteczności suchego odsiarczania spalin, tj. gdy powstający w procesie spalania paliwa w kotle dwutlenek siarki byłby w 100% wiązany przez tlenek wapnia. Przy skuteczności tego procesu wynoszącej 50%, z 0,5 kg siarki S zawartej w paliwie powstanie w przybliżeniu l kg odpadów z tego procesu.

W instalacji odsiarczania metodą mokrą wapniową, spaliny wędrują do absorbera po ich odpyleniu. Mokry proces odsiarczania spalin powoduje, że produkty wiązania dwutlenku i trójtlenku siarki znajdują się w gęstwie gipsowej, która jest następnie odwadniana, aby uzyskać z niej gips handlowy o zawartości do 10% wilgoci. Różne pierwiastki, znajdujące się w handlowej postaci kamienia wapiennego lub mączki wapiennej częściowo stanowią zanieczyszczenie gipsu, częściowo zaś są zawarte w ściekach z procesu odwadniania gęstwy gipsowej i zostają wychwycone w oczyszczalni ścieków. Praktycznie pomijalne ilości odpadów pyłowych z procesu odsiarczania spalin są porywane przez spaliny opuszczające absorber i wędrujące do komina. W absorberze będącym swojego rodzaju płuczką spalin z użyciem — zamiast wody— mleczka wapiennego, resztki pyłu zawarte w spalinach po przejściu przez odpylacz są z nich wymywane. Absorber jest zatem również odpylaczem pyłu, pracującym ze skutecznością ok. 50%, a więc redukującym o połowę zanieczyszczenie spalin. W przypadku wapiennej metody półsuchej proces jest podobny jak przy metodzie suchej, ale spaliny powinny zostać wstępnie odpylone (ze skutecznością ok. 95%) przed wlotem do absorbera. W leju absorbera zbiera się ok. 10—15% wytworzonego w absorberze produktu odpadowego, a pozostałe 85—90% wędruje z niego ze spalinami. Są to zwykle stężenia niedopuszczalne przez przepisy ochrony powietrza atmosferycznego. Z tego względu najczęściej za absorberem są instalowane bądź elektrofiltry o dużej skuteczności, bądź odpylacze tkaninowe. Schemat takiej instalacji odsiarczania spalin metodą półsuchą Niro-Atomizer w powiązaniu ze sposobem odpylania spalin zastosowanym w duńskiej elektrowni Studstrup przedstawiono na rys. 8




Rysunek 9 Rozwiązanie odpylania spalin z zastosowaniem półsuchej metody odsiarczania spalin firmy Niro-Atomizer w duńskiej elektrowni Studstrup: 1 — elektrofiltr wstępny, 2 — zbiornik wapna, 3 — zbiornik sorbentu, 4 — absorber, 5 — odpylacz tkaninowy workowy, 6 — zbiornik produktów odpylania spalin, 7 — komin

Obserwacje w Planetarium Śląskim wykazały, ze zanieczyszczenie powietrza przez substancje gazowe i pyły powoduje osłabienie promieniowania słonecznego o około 20 - 25%.

---