ZAKRES EGZAMINU DYPLOMOWEGO

dla kierunku studiów

ENERGETYKA

studia I stopnia inżynierskie

specjalność energetyka cieplna i jądrowa

2. Zagadnienia konstrukcyjno-technologiczne

   9. Techniki redukcji zanieczyszczeń pyłowych i gazowych w spalinach emitowanych do atmosfery

Emisje:

• pyły (cząstki stałe porywane przez strumień gazów)

• tlenki siarki (SO₂, SO₃)

• tlenki azotu (N₂O, NO, NO₂)

• tlenek węgla

• węglowodory aromatyczne wielopierścieniowe (WWA)

• polichlorowane dibenzodioksyny (PCDDs) i dibenzofurany (PCDFs)

Mechanizm powstawania NOx:

• paliwowy

• szybki (płomieniowy)

• termiczny (Zeldowicza)

Mechanizm powstawania dioksyn:

Generalnie emisje substancji szkodliwych zależą od paliwa oraz od sposobu konwersji energii chemicznej w nim zawartej. Emisje można ograniczyć poprzez pewne urządzenia bądź zespoły urządzeń, które pozwalają usunąć niepożądane składniki spalin. Można też ograniczyć emisje niektórych substancji szkodliwych poprzez zastosowanie innych urządzeń w procesie konwersji energii (inne, nowocześniejsze technologie spalania) lub poprzez wstępną konwersję paliwa (gazyfikacja, piroliza).

1. pyły

• komory sedymentacyjne (grawitacyjne)

Zasada działania tych urządzeń opiera się na prostym zjawisku znanym z mechaniki płynów. Gdy pole powierzchni przekroju przewodu, przez który przepływa płyn (w tym wypadku gaz - spaliny) zwiększa się, prędkość przepływu strumienia gazu maleje. Jeśli będzie ona niższa niż prędkość unoszenia cząstek stałych (komora będzie odpowiednio duża) opadną one grawitacyjnie na dno komory. Ograniczeniami dla tej metody są jedynie: wytrzymałość materiałów konstrukcyjnych (w przypadku odpylania gazów gorących) oraz maksymalny dopuszczalny rozmiar komory (usytuowanie poszczególnych urządzeń oraz koszt inwestycyjny).

Skuteczność odpylania dla komór grawitacyjnych

• separatory cyklonowe

Rys. D.1 - Separator cyklonowy z tangencjalną i osiową generacją wiru

Odpylacze cyklonowe służą do odpylania gazów i stanowią one zwykle pierwszy etap procesu oczyszczania gazu. Ich skuteczność ograniczona jest do cząstek stałych o średnicy aerodynamicznej większej niż 10 μm . Cyklony wykorzystują inercję cząstek aby usunąć je ze strumienia gazów. W ich wnętrzu tworzy się podwójny wir (Rys.D.1). Wir zewnętrzny kieruje cząstki i gaz na dół, zaś wewnętrzny unosi gaz ku górze. W przypadku dostatecznie dużych cząstek ich moment bezwładności po wykonaniu kilku okrążeń wewnątrz komory (w wirze zewnętrznym) przewyższa siły aerodynamiczne związane z porywaniem cząstki przez gaz. Cząstki te opadają na sam dół komory cyklonu skąd usuwane są do pojemnika zbiorczego (przy użyciu np. podajnika ślimakowego).

Sprawność odpylania jest w przypadku cyklonów funkcją rozmiaru odpylanych cząstek (średnica aerodynamiczna) i konstrukcji urządzenia.

Sprawność odpylania cyklonu rośnie wraz ze wzrostem:

• rozmiarem i gęstością odpylanych cząstek

• prędkością gazów na wejściu do komory separacyjnej

• długością komory separacyjnej

• natężeniem zawirowania gazu (ilość pełnych okrążeń jaką cząstka gazu wykona w cyklonie)

• stosunkiem średnicy komory cyklonu do średnicy kanału wylotowego gazu

• stopniem zapylenia gazu

• spadkiem chropowatości ścian wewnętrznych komory

Sprawność odpylania cyklonu spada wraz ze wzrostem:

• lepkości oczyszczanych gazów

• średnicy komory separacyjnej

• średnicy kanału wylotowego

• pola przekroju kanału na wejściu do komory cyklonu

• gęstości oczyszczanych gazów

Temperaturę gazów w cyklonie ograniczają jedynie zastosowane materiały konstrukcyjne. Zwykle cyklony mogą operować przy temperaturach gazu osiągających nawet 540℃.

Wyższa sprawność odpylania cyklonu idzie zwykle w parze z większymi spadkami ciśnienia gazu na cyklonie. Dlatego konstrukcja cyklonu częściej jest ograniczona poprzez maksymalny dopuszczalny spadek ciśnienia niż przez wymagana sprawność odpylania .

Wyższe sprawności odpylania osiągane są przez tzw. multicyklony, czyli zestaw cyklonów połączonych ze sobą kaskadowo. Mogą one osiągać skuteczność odpylania wahającą się pomiędzy 80% aż do 95% dla cząstek o średnicy aerodynamicznej do 5 μm.

• filtry workowe

Filtry workowe cechuje wysoka skuteczność odpylania mieszcząca się w przedziale od 95% do 99,9% dla cząstek o średnicy aerodynamicznej 2,5 μm . Istotnym ograniczeniem jest materiał, z którego wykonywany jest filtr. Filtry workowe z bawełny i poliestrów mogą pracować w temperaturach poniżej 100 ℃. Tkaniny wykorzystywane obecnie w nowoczesnych filtrach workowych pracują w zakresie temperatur pomiędzy 260 ℃ a 290 ℃. Istnieją filtry workowe tkane linek stalowych, jednak ich wrażliwość na korozję wyklucza je z zastosowania do oczyszczania gazów pochodzących ze zgazowarek.

Rys. D.2 - Filtry workowe, tryb filtracji i regeneracji

• elektrofiltry

Wychwyt cząstek w elektrofiltrach działa w oparciu o zjawiska elektrostatyczne. Proces wychwytywania cząstek odbywa się w trzech etapach:

• indukcja ładunków elektrostatycznych na cząstkach pyłów

• separacja naładowanych cząstek dzięki wykorzystaniu sił elektrostatycznych (siły przyciągania) działających w wytworzonym polu elektrycznym

• usunięcie odseparowanych cząstek z elektrod

Ostatnia z wymienionych operacji może być wykonywana mechanicznie (suche) lub przy pomocy cienkiego filmu wodnego (mokre). Konstrukcje wykorzystujące wodą mogą pracować w przedziale stosunkowo niskich temperatur (najlepiej w pobliżu punktu pęcherzyków, w temperaturze zbliżonej do temperatury otoczenia). Zaletą elektrofiltru mokrego jest możliwość usuwania zanieczyszczeń innych niż pyły które w odpowiednio niskiej temperaturze kondensują na drobinach pyłu.

Rys. D.3 - Zasada działania elektrofiltra - schemat

Elektrofiltry suche (zgromadzony pył usuwany jest mechanicznie lub akustycznie) mogą pracować w bardzo wysokich temperaturach, dochodzących nawet do 700℃ . Generalnie elektrofiltry suche wykazują największą skuteczność odpylania dla pyłów o rezystywności pomiędzy $5 \bullet 10^{4}\ \frac{\Omega}{\text{cm}}$ a $2 \bullet 10^{10}\ \frac{\Omega}{\text{cm}}$. Typowe skuteczności odpylania dla elektrofiltrów wahają się pomiędzy 99,0% a 99,9% .

Spośród czynników determinujących skuteczność odpylania elektrofiltra zdecydowanie największe znaczenie ma jego rozmiar. Rozmiar elektrofiltra decyduje o czasie który drobina spędza przebywając w obszarze działania elektrofiltra. Im jest on większy tym większa jest szansa że cząstka zostanie odfiltrowana. Na czas ten ma wpływ także prędkość przepływu gazu przez elektrofiltr. Wśród pozostałych czynników mających wpływ na skuteczność odpylania znaczenie mają: skład chemiczny gazu, temperatura gazu oraz dystrybucja rozmiaru cząstek i stopień zapylenia gazu. Z tego względu korzystnym jest zastosowanie elektrofiltra kolejnego po cyklonie stopnia odpylania gazu.

Elektrofiltry są bardzo czułe na fluktuacje parametrów gazu (strumień objętości, temperatura, skład i zapylenie).

Rys. D.4 - Budowa elektrofiltra

• skrubery

Skrubery to grupa urządzeń służących do oczyszczania gazów, które wykorzystują rozpylone krople wody. Rozpylona woda wypłukuje z gazu zanieczyszczenia.

Zaletą tego typu urządzenia jest możliwość usunięcia zanieczyszczeń innych niż pyły, które kondensują w zakresie temperatur operacyjnych urządzenia.

Wadą jest niski zakres temperatur pracy uwarunkowany odparowywaniem wody. Drugą zasadniczą wadą jest konieczność oczyszczania wody ze skrubera przed jej ponownym wykorzystaniem.

Tab. D.1 - Przegląd skruberów różnych typów i ich parametry

Skrubery mogą wykorzystywać substancje inne niż woda. Ma to miejsce np. przy wykorzystaniu systemu oczyszczania gazów gorących typu OLGA . Maksymalna temperatura na wejściu do systemu wynosi 450℃ zaś temperatura gazu na wyjściu waha się pomiędzy 70℃ a 90℃ (temperatura musi być powyżej punktu rosy dla pary wodnej). Zaletą tego typu systemu jest oczyszczanie gazu nie tylko z pyłów lecz także ze smół.

• porowate bariery

Jest to bardzo szeroka kategoria, w której mieści się wiele różnych rodzajów filtrów. Cechą wspólną wszystkich urządzeń tego typu jest ich zasada działania. Każdy z nich stanowi przepuszczalną bądź półprzepuszczalną barierę przez którą jest w stanie przedostać się gaz natomiast zanieczyszczenia stałe pozostają na jej powierzchni.

Najpopularniejszym rozwiązaniem są tzw. filtry świecowe (Rys.D.5). Porowatymi elementami są w tym wypadku świece (elementy filtrujące). Urządzenia tego typu cechują się dużą wrażliwością na zmiany parametrów gazu i na pracę pod niepełnym obciążeniem. Największym zagrożeniem są fluktuacje temperatur gazu które prowadzą do powstawania uszkodzeń na powierzchni świec .

Porowate bariery maja różne kształty i najczęściej są zbudowane z materiałów ceramicznych (Rys.D6). Istotną zaletą tego typu filtrów jest możliwość nanoszenia na ich powierzchnię różnego rodzaju katalizatorów co pozwala na usuwanie innych niż pyły zanieczyszczeń.

Rys. D.5 - Filtr świecowy - budowa

Rys. D.6 - Filtr ceramiczny o przepływie krzyżowym

Bariera może mieć tez postać upakowanego złoża (Rys.D.7). Zaletą stosowania takiego typu filtra jest łatwość jego wymiany oraz możliwość stosowania różnego rodzaju adsorbentów (np. węgiel aktywny) jako materiałów złoża co pozwala usuwać z gazu zanieczyszczenia inne niż pyły (smoły) . Usuwanie zanieczyszczeń ze złoża może odbywać się także poprzez ich wypłukiwanie przez ciecz (wodę) co upodabnia niektóre z filtrów do skruberów i nakłada na nie podobne ograniczenia.

Rys. D.7 - Filtr z upakowanym złożem

1. tlenki siarki

Emisja tlenków siarki zależy w dużej mierze od jej zawartości w paliwie.

Np. w instalacji odsiarczania spalin REA stosuje się metodę rozpyłowo - absorpcyjną. Metoda ta należy do metod quasi suchych. Spaliny z kotłów trafiają przewodami spalinowymi do wymiennika krzyżowego, gdzie oddają część ciepła już oczyszczonym spalinom trafiającym do komina. Następnie z wymiennika krzyżowego kierowane są one do kolumny absorbera.

Kolumna absorbera ma budowę dużego cylindra, ukształtowanego jak silos. Kolumna składa się z 6 dysz. W dyszach tych umieszczone są lance, które rozpylają mleczko wapniowe w przepływających spalinach. Spaliny przepływają grawitacyjnie od dołu w górę. Mleczko wapniowe to mieszanina rozdrobnionego Ca(OH)₂ z wodą (emulsja). W absorberze zachodzą następujące reakcje.

SO₂ + Ca(OH)₂ →  CaSO₃ +  H₂O

2HCl + Ca(OH)₂ →  CaCl₂ +  2H₂O

2HF + Ca(OH)₂ →  CaF₂ +  2H₂O

Mleczko odbiera część ciepła od spalin, co sprawia odparowywanie wody z mleczka. Pęcherzyki pary wydostające się z cieczy biorą udział w rozrywaniu ziaren wapnia zwiększając powierzchnię czynną sorbentu. Funkcjonuje tu podobne zjawisko do hydrokrakingu. Podobne zjawisko zachodzi w metodzie suchej odsiarczania, ale w przypadku tej metody pękanie ziaren zachodzi na skutek działania wysokiej temperatury spalin (stąd określenie quasi sucha). Produkty reakcji zachodzących w absorberze maja postać stałą (sole wapienne). Opadają one grawitacyjnie w dół do leja wyładowczego, skąd są transportowane podajnikiem ślimakowym do specjalnych zasobników. Przed zasobnikami znajduje się wahadłowa klapa, poruszana przez siłowniki. Klapa zapobiega niekontrolowanej emisji pyłów, gdy instalacja nie pracuje. Część soli wapiennych osadza się już osadza się już w absorberze. Obudowa kolumny jest elastyczna i jej ściany mogą się uginać w pewnym zakresie. W okolicy każdej z dysz zamontowane są siłowniki służące do strząsania osadów ze ścian kolumny.

Wodorotlenek wapnia jest stosowany w stosunkowo dużym nadmiarze stechiometrycznym, gdyż w przypadku sorpcji natryskowej nie jest możliwe osiągnięcie wysokiego stopnia jego wykorzystania.

Wskutek wtryśnięcia mleczka następuje schłodzenie spalin. Schłodzenie musi znajdować się powyżej punktu rosy. W celu ochrony układu kominowego przed wykraplaniem się wody, prowadzącym do korozji, spaliny po wyjściu z instalacji odsiarczania spalin zostają ponownie podgrzane w wymienniku krzyżowym (pobierają ciepło do spalin z kotłów).

1. tlenki azotu

METODY PIERWOTNE:

W przypadku silników tłokowych niskie poziomy emisji NO_x można osiągnąć przy pomocy spalania mieszanek ultra ubogich (technologia Lean-Ox) i/lub wstępnego mieszania paliwa z powietrzem ( silniki HCCI - Homogenous Charge Compression Ignition - pl. Silnik Spalania Mieszanki Jednorodnej).

W przypadku Turbin Gazowych paliwo spalane jest zwykle przy stosunkowo dużym nadmiarze powietrza (w celu obniżenia temperatury spalania). Wyróżnia się dwa systemy redukcji emisji:

• Dry Low Emission (DLE) (pl. metoda sucha niskoemisyjna) - spalanie ma charakter spalania wielostopniowego, gdzie w pierwszym stopniu następuje wstępne wymieszanie paliwa i powietrza. Mieszanka paliwowo-powietrzna w celu lepszego wymieszania jest zawirowywana i spalana. W celu stabilizacji płomienia z palników głównych stosuje się dyfuzyjny palnik pilotażowy. W dalszej części komory spalania zamontowane są dodatkowe palniki, które w celu lepszego wymieszania paliwa z powietrzem wtryskują dodatkowe paliwo pod kątem 90° względem przepływającej mieszanki spalin pochodzącej z palników 1-go stopnia. Zastosowanie tego systemu pozwala obniżyć emisję NO_x z Turbin Gazowych poniżej $15\frac{\text{ppm}}{m_{n}^{3}}\text{spalin}$ dla udziału O₂ w spalinach 15% (możliwe do osiągnięcia emisje rzędu 9 ppm - turbina gazowa lotnicza Kawasaki M7A-03).

• Wet Low Emission (WLE) (pl. metoda mokra niskoemisyjna) - w celu obniżenia temperatury spalania, a tym samym ilości NO_x powstających wg mechanizmu Zeldowicza, do komory spalania wtryskiwana jest woda.

METODY WTÓRNE:

1. dwutlenek węgla

Metody wychwytywania dwutlenku węgla (CCS - Carbon Capture and Storage):

• chemiczne (sorbenty)

• biologiczne (algi)

• kriogeniczne (skraplanie CO2)

• wychwytywanie węgla przed spalaniem (lub innym procesem konwersji paliwa - ogniwa paliwowe) po jego pirolizie lub gazyfikacji

Żadne z powyższych metod nie są obecnie odstępne na skalę komercyjną. W celu (między innymi) ograniczenia energii zużywanej przez instalacje CCS rozważane jest także wykorzystanie technologii OXY FUEL (spalanie w czystym tlenie).

Najłatwiejszym sposobem obniżenia emisji CO₂ jest modernizacja istniejących bloków energetycznych lub budowa nowych (w miejsce pracujących obecnie) cechujących się wyższą sprawnością konwersji energii chemicznej zawartej w paliwie.

9. System elektroenergetyczny i jego elementy składowe

Parametry charakteryzujące system elektroenergetyczny

– suma mocy czynnych znamionowych wszystkich generatorów zainstalowanych w elektrowniach, jest to moc zainstalowana;

– rodzaje elektrowni i ich moce zainstalowane;

– roczna produkcja energii elektrycznej;

– największa moc pobierana przez odbiorniki energii elektrycznej w ciągu roku, doby – jest to tzw. moc szczytowa;

– napięcie przesyłowe, czyli napięcie znamionowe sieci elektroenergetycznej przesyłowej;

– struktura sieci elektroenergetycznej, tj. napięcie znamionowe sieci, konfiguracja sieci, długości linii o poszczególnych napięciach znamionowych;

– moce największych elektrowni i bloków.

Krajowy System Elektroenergetyczny

Krajowy System Elektroenergetyczny (KSE) – zbiór urządzeń do rozdziału, przesyłu i wytwarzania energii elektrycznej, połączonych w system umożliwiający dostawy energii elektrycznej w sposób ciągły i nieprzerwany.

Suma mocy osiągalnych w KSE na koniec 2009 wyniosła 35 594 MW.

System dzielimy na podsystemy:

• wytwórczy (elektrownie),

• sieć przesyłowa - linie i stacje elektroenergetyczne 750 kV, 400 kV i 220 kV. Sieć przesyłowa jest siecią ogólnopolską i jest zarządzana przez jednego operatora - PSE Operator SA.

• sieć dystrybucyjna lub rozdzielcza - 110 kV, linie średniego napięcia i linie niskiego napięcia. Sieci dystrybucyjne są sieciami regionalnymi i są zarządzane przez regionalnych operatorów (np. ENEA, ENERGA, STOEN itp). Sieć 110 kV jest częścią sieci dystrybucyjnej, jednak ze względu na sposób pracy (sieć oczkowa, zamknięta) identyczny jak w sieci przesyłowej, jej praca jest koordynowana przez PSE Operator S.A.

W KSE obowiązuje następujący podział:

• Krajowa Dyspozycja Mocy (KDM) - kieruje pracą sieci podstawowej tj. 750, 400 i 220 kV oraz regionalną, także wybranymi liniami 110kV o znaczeniu systemowym;

• Obszarowa Dyspozycja Mocy (ODM) - kieruje pracą sieci regionalnej, nadzoruje sieć lokalną i kieruje operacjami łączeniowymi w sieci podstawowej,

• Zakładowa Dyspozycja Mocy (ZDM) - kieruje pracą sieci lokalnej rozumianej jako obszar sieci danego rejonu głównie linie 110 kV oraz 220 kV znajduje się w danym rejonie oraz transformatory w Głównych punktach zasilania zakładu energetycznego,

• Rejonowa Dyspozycja Mocy (RDM) - kieruje pracą wydzielonych fragmentów sieci lokalnej linie 110 kV (w porozumieniu z ZDM), linie i trasy kablowe SN oraz linie i trasy kablowe niskiego napięcia na obszarze rejonu należącego do danego zakładu energetycznego.

Klasyfikacja sieci elektroenergetycznych:

Linia otwarta – składa się z jednego punktu zasilającego, pewnej liczby punktów odbiorczych i odcinków linii łączących te punkty szeregowo:

Linia rozgałęźna – jest zasilana w jednym punkcie, zawiera ona przynajmniej jeden punkt rozgałęźny, w którym są połączone trzy odcinki linii oraz pewna liczba punktów odbiorczych.

Linia zamknięta – jest zasilana w dwóch punktach. Szczególnym przypadkiem linii zamkniętej jest linia okrężna.

Sieć oczkowa – to taka, w której połączone ze sobą linie tworzą oczka. Sieć ta bywa także nazywana siecią węzłową, ponieważ musi zawierać przynajmniej jeden węzeł, tj. punkt, do którego energia elektryczna może dopłynąć z trzech linii.

Elektroenergetyczne linie napowietrzne:

Podstawowe elementy linii napowietrznych:

– przewody

– izolatory

– osprzęt

– konstrukcje wsporcze i posadowienia

– inne elementy wynikające ze sposobu prowadzenia linii

– przewody robocze – przewody wykonane z aluminium lub jako staloaluminiowe wykorzystywane jako przewodnik do przesyłu energii;

– przewody odgromowe – służące do ochrony przed uderzeniem pioruna w przewody robocze;

– izolatory – elementy, których zadaniem jest odizolowanie przewodów od konstrukcji słupa.

W niektórych rozwiązaniach przewody odgromowe przyłączane są za pomocą izolatorów z iskiernikiem;

– osprzęt pozwalający na łączenie przewodów, mocowanie i łączenie izolatorów, instalowanie przewodów na izolatorach, ochrony izolatorów i innych części prze skutkami wyładowań atmosferycznych oraz zabezpieczające przewody od drgań;

– konstrukcje wsporcze – słupy wykonane z betonu lub stali (dawniej z drewna) służące do utrzymywania przewodów na odpowiedniej wysokości nad ziemią oraz zapewniające zachowanie odległości między przewodami.