MSEK: Systém pro čištění spalin při spalování biomasy

T. Pařízek, F. Jedlička, Š. Kotačka, V. Ucekaj

Moravskoslezský energetický klastr, o.s, Studentská 6202/17, 708 33 Ostrava – Poruba

Spalování biomasy je z technického pohledu v současné době zcela běžnou a zvládnutou záležitostí. Biomasa je spalována ve spalovacích zařízeních různých typů, např. roštových, fluidních, atp. a energie uvolněná během spalování je využívána k různým účelům, především k výrobě páry v parních kotlích nebo k ohřevu vody.

Z hlediska legislativou předepsaných emisních limitů je na biomasu nahlíženo spíše jako na ušlechtilé palivo, pro která obecně platí méně přísné emisní limity a je sledováno méně skupin polutantů ve srovnání např. se spalováním odpadů. V posledních letech se však stává aktuální spalování biomasy kontaminované různými polutanty, jako jsou např. těžké kovy a uhlovodíkové sloučeniny. Tyto sloučeniny pocházejí obvykle z nátěrových hmot, olejů, plastických hmot, atp. Mimo to se při spalování biomasy vyskytují ve spalinách polutanty nesouvisející bezprostředně s palivem, ale se samotným spalovacím procesem, např. oxid uhelnatý a oxidy dusíku. Protože je obecným trendem snižování emisních limitů u všech spalovacích procesů a paliv, lze v blízké budoucnosti očekávat sbližování legislativou předepsaných emisních limitů pro spalování biomasy (obecně všech paliv) s emisními limity pro spalování odpadů (viz obr. 1).

Základním procesem čištění spalin je jejich důkladné odprášení, tj. odloučení tuhých znečišťujících látek (dále TZL) z proudu spalin. Nejvyššího stupně odloučení TZL je obecně dosahováno povrchovou filtrací v aparátu nazývaném filtr. Aparát je obvykle tvořen z jedné či několika identických komor vyplněných filtračními elementy, které mohou být keramické, membránové, nebo, jako v tomto případě, látkové. Na těchto elementech probíhá důkladné odprášení spalin. Plynné molekuly spalin mohou skrze filtrační materiál procházet, ale větší prachové částice se separují na jejím povrchu (řádově od rozměru 0,1µm). Zadržené částice vytvářejí na povrchu filtračního materiálu filtrační koláč. Zachycené tuhé částice (popílek, reagenty, sorbenty) jsou z filtrační tkaniny periodicky odstraňovány při regeneraci tlakovým vzduchem nebo zpětným proplachem spalinami a shromažďovány ve spodní části jednotlivých komor filtru (tj. výsypkách). Odtud jsou odprašky přes tlakový uzávěr (dvojklapka, turniketový uzávěr, atp.) periodicky odstraňovány.

Odprášení spalin je základní a zásadní operací čištění spalin. To je dáno skutečností, že na prachové částice může být navázáno mnoho dalších typů polutantů, zejména těžké kovy a látky typu polychlorovaných dibenzodioxinů a furanů (dále PCCD/F). Právě důkladné odprášení spalin povrchovou filtrací při spalování biomasy je problematické, neboť jsou žhavé částice unášeny spalinami ze spalovacího zařízení do další technologie. Tu tyto částice posléze poškozují, protože propalují materiál filtračních elementů.

Jak již bylo zmíněno, legislativou dané emisní limity pro spalování biomasy u jednotek menších výkonů jsou v současné době relativně vysoké a pro jejich splnění není zařazení povrchové filtrace do souboru čištění spalin nezbytné. Obvykle stačí použití mechanického odlučovače, tj. cyklónu nebo multicyklónu (dosahované koncentrace TZL ve spalinách v řádu 10² mg/m_N³). U jednotek vyšších výkonů je však již vzhledem k přísnějším limitům nutné použití elektroodlučovačů (dosahované koncentrace TZL ve spalinách řádově 10¹ mg/m_N³) nebo povrchové filtrace (dosahované koncentrace TZL ve spalinách řádově 10⁰ mg/m_N³), které předcházejí různá opatření zamezující styku žhavých částic s filtrační tkaninou. Obvykle se jedná o předřazené mechanické odlučovače či úsadové komory, které mají jednak za úkol mechanicky odloučit žhavé částice z proudu spalin, jednak jim prodloužením dopravní trasy spalin poskytnout čas k vyhoření. Nejedná se však o opatření zcela vylučující poškození filtračních látkových elementů, neboť za určitých provozních podmínek často dochází k vznícení filtrační tkaniny a zahoření filtru. U jednotek o větším výkonu jsou již nasazovány aktivní zhášecí systémy skládající se z detekce jisker (např. detekce v infračerveném spektru) a hasicího zařízení obvykle používajícího vodní mlhu rozprašovanou pomocí trysek na tlakový vzduch či páru.

Cílem projektu „Výzkum a vývoj experimentálního zkušebního zařízení – systém čištění spalin“ (zadaného pro rok 2014 Moravskoslezským energetickým klastrem) je projekční návrh experimentální jednotky pro čištění spalin. Ta rozšíří stávající technologii tak, aby bylo možné spalovat i kontaminovanou biomasu a zároveň významně snížit produkci škodlivin.

Výchozí stav technologie pro energetické využití biomasy

V roce 2012 byla instalována v areálu Dřevoparu v Lošticích biomasová kotelna (viz obr. 2), která využívá jako palivo odpadní dřevo vznikající v areálu závodu. Tepelný výkon kotle je 3MWt, elektrický výkon na svorkách generátoru je 180 kWe. Při předpokladu že fond pracovní doby je 6 800 hodin za rok a při hodinové spotřebě dřevní hmoty asi 1000 kg/h je spotřeba paliva asi 6 800 tun/rok. Veškeré palivo vzniká jako odpad z výroby dřevěných parket přímo v areálu společnosti Dřevopar. Kotelna je vybavena vlastním průjezdným meziskladem paliva, provozním skladem paliva s hydraulickou podlahou, dopravní cestou paliva do kotle, spalovací komorou s vratisuvným roštem, parním kotlem s pomocnými zařízeními, multicyklonem, spalinovým ventilátorem a komínem. Pára vyrobená v parním kotli je přivedena do turbogenerátoru. Z turbogenerátoru pára proudí do parního rozvodu v závodu a do kondenzátorů páry. Pro výrobu páry je využívána voda z existujícího vrtu, která je upravována v jednotce pro úpravu vody na požadované parametry. Kotel je vybaven dopravníkem roštového popele a uzavřeným kontejnerem pro skladování popele. V rámci kotelny je vybudován velín, ve kterém je umístěno operátorské PC pro ovládání technologie.

Účinnost kotelní jednotky je při spalování všech základních druhů biomasy s dostatečnou výhřevností velmi dobrá a po odstranění povrchových ztrát kotle se pohybuje na úrovni 90 %.

Emisní parametry kotelní jednotky jsou rovněž pro všechny základní druhy biomasy velmi dobré a s dostatečnou rezervou splňují platné emisní limity platné pro tuto kategorii zařízení a palivo.

S ohledem na aktuální požadavky a nutnost orientace na ekologicky šetrné energetické využití odpadní biomasy či alternativních paliv na bázi biomasy se nabízí rozšíření prototypové jednotky o možnost spalovat i tato paliva. Výrazným přínosem této technologie bude zejména skutečnost, že umožní zpracování biomasy kontaminované např. barvivy, laky, lepidly, ropnými látkami apod.

Podstata technického řešení

Podstatou výzkumného projektu „Výzkum a vývoj experimentálního zkušebního zařízení – systém čištění spalin“ byla tvorba technických návrhů systémů čištění spalin pro výše uvedenou technologii pro energetické využití biomasy.

Pro tuto jednotku byl shledán jako nejlepší alternativa ,z důvodů dispozice a investičních nákladů, systém suchého čištění spalin s využitím katalytické filtrace s vysokou účinnost odstranění jednotlivých polutantů (PCDD/F).

Systém suchého čištění spalin spočívá v tom, že před filtračním zařízení s látkovými či keramickými rukávci je zařazeno několik stupňů předúpravy odpadního plynu tak, aby byla zajištěna maximální životnost rukávců při současné vysoké účinnosti redukce polutantů.

Prvním stupněm čištění spalin je mechanický odlučovač pro hrubé odprášení. Jako mechanický odlučovač se obvykle používá cyklon nebo multicyklon. Náhradou za mechanický odlučovač může být použit elektrostatický separátor. Ten má však vyšší pořizovací i provozní náklady. Dalším stupněm čištění je injektáž sorbentů do potrubí spalin. Sorbenty mají za úkol na sebe navázat kyselé složky spalin a těžké kovy. K tomu jim pomáhá další zařízení umístěné po trase spalin před filtrem, zvané kontaktor. Kontaktor je navržen tak, aby došlo k dokonalému promísení spalin se sorbentem. Tím se zvětší jak reakční plochy a tak i zdržná doba. V kontaktoru, tak dochází k redukci fluorovodíku a dalších kyselých složek spalin a k záchytu polutantů na ploše sorbentů. Tím je ochráněna katalytická vrstva filtračního elementu před deaktivací. Za kontaktorem z hlediska čištění spalin následuje poslední aparát a tím je filtr (viz obr. 3).

Pro podstatné snížení emisí POP a dodržení stanovených emisních limitů jsou v praxi spalování odpadů nejrozšířenější technologie, které jsou založeny na principech adsorpce nežádoucích látek s použitím technologie katalytické filtrace REMEDIA D/FÔ a tzv. 4D SYSTÉM (keramické trubice), technologie DeNOx/DeDiox a adsorpčních metod (aktivní uhlí, ADIOX^®). V případě výše uvedené technologie připadaly v úvahu z hlediska dispozičních a investičních nároků první dvě varianty.

Katalytické filtrace REMEDIA D/F

Pro dosažení maximálního stupně odstranění perzistentních organických látek spadajících do skupiny dioxinů je velmi účinné použití technologie katalytické filtrace probíhající v dioxinovém filtru. Princip technologie katalytické filtrace REMEDIA D/FÔ spočívá v použití speciální tkaniny pro filtrační hadice látkového filtru (na bázi všeobecně známého materiálu GORE-TEXâ), v níž probíhá současně účinné odloučení tuhých částic jemného popílku i rozklad dioxinů přítomných ve filtrovaném plynu (viz obr. 4). Filtrační materiál je zhotoven ze dvou vrstev expandovaného polytetrafluoretylenu (ePTFE), z nichž vnitřní vrstva obsahuje implementovanou katalytickou složku urychlující rozklad dioxinů. Při kombinované filtraci spojené s rozkladem dioxinů probíhá odloučení zbytkových podílů jemného popílku (až na výstupní obsah tuhých látek 1 až 2 mg/mN3) na vnější filtrační ploše vytvořené PTFE membránou. Vlastní rozklad dioxinů přítomných v surových spalinách nastává ve vnitřní filtrační vrstvě, v níž je implementován katalyzátor způsobující žádaný účinek.

Schopnost technologie katalytické filtrace REMEDIA D/FÔ dosahovat rozkladu dioxinů se jeví jako výrazná přednost při řešení problematiky odstraňování dioxinů, neboť zajišťuje přímo rozklad těchto látek a nikoli pouze záchyt na adsorbentu.

Příklad zařazení technologie REMEDIA D/FÔ do technologické linky je schematicky znázorněn na obr. 5. Technologie katalytické filtrace se umísťuje hned za jednotku mechanického čištění spalin. Toto umístění je velmi výhodné z hlediska snížení provozních nákladů díky absenci předehřevu spalin a kratší potrubní trase.

Na základě analýzy praktických aplikací bylo zjištěno, že technologie odstraňování dioxinů cestou katalytické filtrace REMEDIA D/FÔ je i po deseti letech stále vysoce účinná, tudíž se velmi výrazně snižují celkové převedené náklady.

4D SYSTÉM (keramické trubice)

Filtrační multifunkční systém označený 4D SYSTÉM ((De-dust, De-NOx, De-Diox, De-SOx) byl vyvinut firmou BWF (Bayerische Woll-Filz Fabrik). Tato metoda čištění spalin je již známá od roku 1980 a je založena na principu využití keramického materiálu s nízkou hustotou (Pyrotexâ, TopKat) jako filtračního materiálu s katalytickou vrstvou. Filtr s keramickými trubicemi je konstrukčně podobný filtru s běžnými látkovými rukávci. Samotné keramické trubice jsou samonosné (bez filtračního koše) a uchycené ve speciálních přírubách (viz obr. 6). Regenerace (odprášení) těchto filtrů se provádí tlakovým vzduchem tzv. metodou „pulse-jet“.

Díky zvolenému filtračnímu materiálu je filtr odolný proti vysokým teplotám a proti propalu. Běžná provozní teplota se pohybuje kolem 240 až 280°C. Proto je ideální pro zařízení, které se provozují při vyšších teplotách (např. spalovny odpadů, tavba drahých kovů, sekundární tavba železných kovů, tavba skla). Před keramickým filtrem je umístěno dávkování amoniaku NH₃ (DeNOx), hydroxidu vápenatého Ca(OH)₂ (suchá sorpce – odstranění SO₂ a HCl) a aktivního uhlí AC (DeDiox + adsorpce rtuti) (viz obr. 6 a obr. 7). Všechny tyto složky vytvoří na filtrační ploše keramických trubic reakční vrstvu, která spolu s katalytickou vrstvou tvoří efektivní metodu čištění spalin.

Z předchozí kapitoly je zřejmé, že existuje několik technologií pro odstraňování perzistentních organických látek (dioxinů) ze spalin vzniklých při termickém zpracování kontaminované biomasy či odpadů. Výběr vhodné metody pro danou linku pro energetické využití kontaminované biomasy záleží na mnoha faktorech, k nimž náleží především:

- provozní podmínky

- investiční a provozní náklady

- energetická náročnost technologie

- životnost použitých materiálů

- účinnost dané technologie

Mezi faktory, které ovlivňují výběr vhodné metody, patří také okolní podmínky, tzn. zda technologie pro odstraňování dioxinů bude včleněna do stávajícího zařízení, nebo zda bude součástí projektu nové linky. Zejména pak v prvním případě je dále rozhodující technická náročnost začlenění této technologie, aby došlo co nejmenšímu výpadku provozu celé linky.

Hlavním cílem projektu je analyzovat vhodné metody pro odstraňování dioxinů pro konkrétní technologickou linku energetického využití biomasy a následně je porovnat podle výše uvedených kritérií. Poté provést konkrétní technické řešení, které bude sloužit jako podklad pro realizační projekt. Konkrétní srovnání lze realizovat na základě výběru konkrétní technologické linky s dostupnými provozními daty jako jednotného základu.

Základní provozní parametry linky pro energetické využití biomasy, které jsou důležité pro návrh technologie pro čištění spalin a odstraňování dioxinů, jsou uvedeny v tabulce 1. Výstupní teplota spalin z kotle se u jednotlivých metod liší, tuto změnu lze docílit změnou nastavení spalovacího procesu a procesu využití tepla.

Tabulka 1 Základní provozní parametry výchozí linky pro energetické využití biomasy

Na základě uvedených kritérií se zdá, že je možné jednoduše porovnat možné technologie, tedy tzv. „oznámkovat“ a vybrat tu nejlepší. Podle daných kritérií by se jevila jako nejvýhodnější technologie katalytické filtrace REMEDIA D/F™, která má sice vyšší investiční náklady, ale díky vysoké účinnosti odstraňování dioxinů a dlouhé životnosti filtračních hadic, jako velmi účinná metoda z hlediska odstraňování dioxinů s nízkými provozními náklady.

Přičemž katalytická filtrace 4D SYSTÉM mají v této analýze poměrně porovnatelné investiční a provozní náklady s vysokou účinností odstraňování dioxin a je vhodnější pro technologie energetického využití biomasy, kvůli odolnosti keramických rukávců vůči vysoké teplotě a nedopalu.

Výběr správné metody však nezávisí jen na výběru z hlediska nejmenších hodnot investičních či provozních nákladů, ale i na okolních podmínkách, jako jsou např. celková skladba technologické linky, daná nabídkou potenciálních dodavatelů, požadavky provozovatele a různé omezení.

Například na konkrétní technologii bylo omezujícím kritériem dispoziční prostor. Pro katalytickou filtraci 4D systému je doporučena o polovinu nižší filtrační rychlost než u filtraci s použitím látkových hadic. To znamená větší náročnost na instalační prostor. S těchto i výše uvedených důvodů byla vybrána technologie katalytické filtrace s využitím látkových hadic.