Engineering

Čištění spalin a odpadních plynů

Čištění spalin a odpadních plynů

Zabýváme se studiemi a poradenstvím zaměřujících se na technologie pro snížení a odstranění koncentrace látek SOx, NOx, PCDD, PCDF, VOC a TZL v různých průmyslových provozech jako jsou (elektrárny, teplárny, spalovny odpadů, slévárny, cementárny atd.).  Zpracováváme studie pro malé lokální zdroje až po velké průmyslové bloky a to v rozmezí průtoků spalin od 10 000 – 3 000 000 m3/h. Dále se zabýváme studiemi modernizací a intenzifikací stávajících zdrojů.

Odsiřování spalin

V přírodních plynných palivech se síra vyskytuje nejčastěji ve formě SO2 nebo SO3. U pevných paliv, a to především uhlí, které je využíváno u většiny stacionárních zdrojů tepla, je síra vázána již v palivu jako součást hořlaviny. V těchto palivech se síra dále může vyskytovat ještě ve 3 různých formách, a to především jako síranová (chemicky vázaná k popelovinám), organická a pyritová. Pyritová síra v uhlí je ta forma síry, která je v případě nerozptýleného výskytu v palivu relativně dobře odstranitelná klasickými metodami, mezi které patří např. úprava v hydrocyklonech. Účinnost těchto metod je však mnohdy omezená. Existují také jiné mechanické způsoby odstranění síry již z paliva, je to ovšem otázkou ekonomické efektivity, protože mnohdy jsou tyto metody neekonomické z hlediska prodejní ceny tepla na našem trhu, již právě z důvodu velkého rozvoje menších ekologických zdrojů a nasazení kogeneračních jednotek. Dnes prakticky nejvíce používané metody odstraňování sloučenin síry jsou právě ze spalin vstupujících do komína. Odstraňování síry je možné provádět dvěma způsoby (principiálně odlišnými), a to buď katalytickou oxidací na SO3 a následným odstraněním ve formě H2SO4 nebo vázáním na vhodné tuhé aditivum.  
suchá metoda odsíření

Suchá metoda redukce SOx


Suchá aditivní metoda se nejvíce využívá v kombinaci s textilními filtry. Principem této metody je dávkování aditiva na bázi Ca2+ (nejčastěji hašené vápno Ca(OH)2), ale také na bázi Na+ (NaHCO3) do proudu spalin a to do kouřovodu nebo do reaktoru, kde dojde k intenzivnímu promíchání aditiva se spalinami a kde dojde k primární reakci. K sekundární reakci dochází na filtrační textilii, která je zejména u filtrů využívajících regeneraci ventilátorovým profukem intenzivní.

Tato metoda je používána pro odsíření menších spalovacích zdrojů a pro redukci HCl, HF, dioxinů a dalších plynných znečišťujících látek.

Pro odsíření dosahuje účinnosti až 75 %, pro redukci HCl a HF i přes 90 %.
Tato metoda má velmi nízké investiční náklady, její nevýhodou je ale nižší účinnost a vyšší spotřeba aditiva.
Někdy je vhodné tuto metodu doplnit o intenzifikaci, kde rozprašováním vody v reaktoru můžeme dosáhnout vyšší účinnosti a nižší spotřeby aditiva.

Polosuchá metoda redukce SOx


Další používaná metoda je tzv. polosuchá metoda odsíření. Tato metoda je upřednostňována hlavně pro elektrárenské bloky o instalovaném výkonu max. do 300 MW. Vyznačuje se především tím, že produkt odsíření je vhodný pro trvalé uložení na běžnou skládku, ale není příliš vhodný pro další použití jako druhotná surovina. Principiálně se jedná o jednoduchý proces lehce zvládnutelný v praxi. Nástřikem vody do proudu spalin se sníží jejich teplota na teplotu o 10-20 °C nižší, než je teplota nasycení spalin (z důvodu kondenzace spalin a vzniku nízkoteplotní koroze v komínech) a do spalin je v prášku nebo ve vodní suspenzi přiváděn Ca(OH)2, který dále reaguje dle vpravo uvedených vztahů.

Výhodou této metody je reaktivita reagentů na další plynné znečišťující látky, jakými jsou chlorovodík nebo fluorovodík a tím k jejich částečnému odstranění ze spalin.

mokrá metoda odsíření

Mokrá metoda redukce SOx


V dnešní době je nejvíce využívanou metodou tzv. mokrá vápencová vypírka. Je to nejrozšířenější metoda v uhelné energetice a víceméně dnes jediná používaná metoda moderních elektráren. Základním rozdílem oproti předchozím metodám je, že se jedná o mokrou vypírku proudu spalin reakčním činidlem v reaktoru současně za vzniku tzv. end-produktu (energosádrovec), který může být nadále použit jako druhotná surovina ve stavebnictví, jako základy silničních pojezdů, nebo výrobu např. sádrokartonových desek.

Celý proces se skládá z řad dílčích procesů, které realizují jednotlivé zóny odsiřovacího reaktoru. Tento reaktor se často nazývá absorbér. Základním principem je přivedení nevyčištěných spalin do absorbéru, kde dochází ke sprchování těchto spalin vápencovou suspenzí v několika úrovních. Návrh konstrukce, počet sprchovacích úrovní a volba typu trysek většinou vychází z CFD simulací pro dosažení co největší mezifázové plochy reagentu a spalin pro co nejdokonalejší vyčištění. Vyčištěné spaliny odchází poté horní částí absorbéru do stávajícího komína elektrárny. Na výstupu těchto spalin z absorbéru bývá kontinuální měření nejen emisí spalin, ale především teploty spalin tak, aby bylo zajištěno, že je tato teplota vždy alespoň o 10 °C vyšší než je teplota rosného bodu spalin za daného tlaku. V praxi se tato teplota spalin pohybuje v rozmezí 68-58 °C. Absorbér bývá většinou kovová nádoba s vnitřním pogumováním v několika vrstvách. Sprchovací úrovně jsou vždy nejméně 2, avšak v praxi mnohdy 3. Nad těmito sprchovacími úrovněmi je nadále zařízení, tzv. odlučovač kapek, který snižuje hmotnostní úlet vody ve spalinách, a tím také ztráty pracovního média. Jedná se většinou o žaluziové mřížky s tryskami pro oplach, který bývá automaticky systémem ASŘTP prováděn vždy v řádech několika desítek minut. Spodní část absorbéru je tvořena jímacím dnem, kde zůstává určitá hladina sádrovcové suspenze. V Těchto místech je do absorbéru zaváděn oxidační vzduch z míchadel oxidačního vzduchu. Dále tu jsou umístěna míchadla absorbéru pro promíchání suspenze a vytvoření tak dokonalejšího prostředí pro oxidaci. Tato vápencovo-sádrovcová směs je neustále recirkulována velkými recirkulačními čerpadly do horních částí trysek sprchovací úrovně. Z důvodu abrazivního prostředí jsou vždy tato potrubí ze sklolaminátu, označovaného jako FRP. Výsledný produkt po sprchování spalin je čerpán odtahovými čerpadly do havarijních jímek nebo do zahušťovače, kde dochází k zahuštění výsledné směsi pro expedici mimo areál teplárny.

Tato metoda je velmi účinná a efektivní, avšak potřebuje velké prostory pro vápencové hospodářství, pro zajištění procesní vody pro proplachy všech čerpadel, výstavbu nových budov s nádržemi pro sádrovcovou a vápencovou suspenzi a mnohé další provozní média potřebná pro kontinuální čištění proudu spalin. Metoda často dosahuje účinnosti až 98,5 %. Obvyklá hodnota pH pro správnou funkci odsiřování bývá v praxi kolem 5-5,5.

Výsledný produkt je pak získáván tak, že z jímací části absorbéru je odtahovými čerpadly odsávána sádrovcová suspenze, která je dále odváděna do míchacího centra za účelem odvodnění. Z míchacího centra je dále suspenze odváděna do zahušťovače, který v praxi dokáže odvodnit suspenzi až na 30 % hm. vody.

denitrifikace

Denitrifikace spalin


Denitrifikace znamená snížení znečišťujících látek, především sloučenin NOx z plynných spalin. Tyto sloučeniny vznikají při spalování paliv za vysokých teplot (řádově teploty přesahující 1100 °C), kdy nejvýrazněji vznikají termické sloučeniny dusíku. Do spalin se uvolňují palivové sloučeniny vázané právě v hořlavině daného paliva také rozkladem. Dnes se používají 3 odlišné způsoby snižování těchto škodlivin (tzv. primární metody snižování Nox):

  1. Opatření upravující samotný spalovací systém
  2. Konstrukční zásah do spalovací komory
  3. Kombinace dvou předešlých metod

Základními prvky pro primární snížení oxidů dusíku jsou opatření upravující samotný spalovací systém. Patří mezi ně např. recirkulace spalin, provozování spalování s nízkým součinitelem přebytku vzduchu, který je hlídán systémem ASŘTP na základě dynamických podmínek samotného hoření, nebo různé výkonové provozní hodnoty teplot v jednotlivých patrech spalovací komory.

Druhým způsobem snižování těchto oxidů je konstrukční zásah do samotné spalovací komory. Jedná se především o výměnu stávajících hořáku za nízkoemisní, stupňovitý přívod spalovacího vzduchu, konstrukční řešení  mrtvých koutů komory atd.

Třetím využívaným principem jsou různé metody kombinující předešlé dvě kategorie, a to nejčastěji úpravy mlecích okruhů paliva společně s regulací přívodu primárního, ale především sekundárního vzduchu do spalovací komory.

Další metody snižování NOx ze spalin, jsou metody založené na vstřikování aditiva na bázi amoniaku nebo močoviny do spalin.

Selektivní nekatalytická redukce NOc


Selektivní nekatalytická redukce spočívá ve vytvoření redukčních podmínek, při kterých do kotle vstřikovaný čpavek nebo močovina selektivně (přednostně) snižuje oxidy dusíku za vzniku elementárního dusíku a vodní páry. Účinnost snížení NOx je 40 až 60%. Charakteristickým znakem této metody je, že probíhá v kotli v oblasti teplot 900 až 1 050 °C. Použití čpavku jako redukčního činidla má některé nevýhody. Čpavek je zdraví nebezpečná látka, vyžadující složitější technologická zařízení pro skladování a manipulaci, při jeho úniku je okolí obtěžováno zápachem, vzniklé sloučeniny čpavku a síry mohou vytvářet nežádoucí nánosy na strojním zařízení. Z těchto důvodů se používá u některých postupů místo čpavku močovina.

Selektivní katalytická redukce


Selektivní katalytická redukce je založena na stejných chemických reakcích jako předcházející nekatalytická redukce, ale díky katalyzátoru probíhají reakce při teplotách 300 až 400 °C. Čpavek je vstřikován do spalin, které jsou následně zavedeny do katalyzátorového reaktoru, ve kterém se oxidy dusíku, obsažené ve spalinách, opět změní na dusík a vodní páru. Účinnost snížení NOx je vysoká 80 až 90 %. Katalyzátory jsou nejčastěji vyrobeny z oxidů vanadu, molybdenu, wolframu a jejich kombinací. Jejich cena je poměrně vysoká a životnost naopak poměrně nízká.