FAIMA - Impactul Energiei Asupra Mediului

Impactul energiei asupra mediului – curs anul III - FAIMA.

1

IMPACTUL ECOLOGIC AL CENTRALELOR ELECTRICE CU CICLU TERMODINAMIC

Tipul factorilor poluanŃi produşi de C(T)E şi mediile asupra cărora îşi exercită efectele Sectorul energiei (înŃeles ca ansamblul sistemelor de extracŃie, transport, transformare, distribuŃie, utilizare a energiei) este o activitate cu puternic impact asupra mediului. Cele mai mari surse de poluare sunt sursele de electricitate; practic ele produc toate tipurile de fluxuri, de masă şi energie, care intră în categoria poluanŃilor. Numeroşi factori poluanŃi (factori nocivi sau “noxe”) apar datorită activităŃii umane. Noxele fizice şi chimice pot fi fenomene, substanŃe sau câmpuri: � care nu existau anterior activităŃii umane respective (în această categorie intră şi noxele a căror

prezenŃă în natură era extrem de rară înainte de manifestarea activităŃii umane respective). � care existau anterior în natură, dar a căror prezenŃă s-a amplificat mult prin activitatea umană.

Un exemplu tipic în acest sens îl constituie CO2 din atmosferă. Ele perturbă mediul şi “ciclurile naturale” prin acŃiuni directe sau indirecte.

În analiza ecologică trebuie să identificăm: � sursa de poluare (în cazul de faŃă CE, la modul general şi CTE în special); � factorul poluant (câmp, substanŃă, etc) şi tipul de poluare; � sistemul poluat (“receptor” sau “Ńintă”) şi modul în care se exercită efectele asupra sa; � limitele de poluare “suportabile”; � căile şi mijloacele de a reduce efectele poluării.

Tipul poluării Agentul poluant

Gaze de ardere SoluŃii chimice

Poluare chimică sub formă de substanŃe miscibile sau solubile

Cenuşă (unele comp.) Apă de răcire

Poluare fizică directă, sub formă de căldură Gaze de ardere Zgură şi cenuşă

Poluare fizică directă, sub formă de substanŃe Vapori de apă

Poluare fizică indirectă CO2 (efect de seră) Unde sonore Unde electromagnetice

Poluarea

produsă de C(T)E

Poluare fizică directă, sub formă de oscilaŃii, unde şi câmp

RadiaŃii ionizante

Mediul poluat Exemple

Poluare chimică sau radioactivă prin infiltraŃii de soluŃii Apele subterane Poluare termică prin infiltrare de apă caldă

Schimbarea destinaŃiei unor terenuri, scoaterea lor din circuitul agricol Poluare fizică şi chimică prin depozite de zgură şi cenuşă

Solul (poluare pedologică şi geologică) Amplasarea unor mase mari (baraje la CHE, fundaŃii, etc).

Poluare fizică, chimică sau radioactivă prin pulberi şi gaze nocive Poluare termică la turnurile de răcire şi prin gazele de ardere Atmosfera Poluare fizică cu vapori de apă Poluare chimică sau radioactivă prin evacuare de soluŃii Poluare termică prin apă caldă

Apele supraterane

Schimbarea circulaŃiei unor fluxuri de apă (în special la CHE) Efectele indirecte ale factorilor de mai sus asupra mediului de viaŃă

Poluarea

produsă de C(T)E

“Biosfera” “Ingerarea” de noxe chimice sau radioactive


2

Extinderea razei geografice şi temporale de acŃiune a factorilor poluanŃi

Raza efectului Exemple

Locală (câŃiva km) Poluarea pedologică Poluarea cu cenuşă zburătoare

Zonală (zeci de km) Poluarea termică a apelor de suprafaŃă Fenomene de tip “ploaie acidă” (datorate SOx şi NOx)

Regională (sute de km) Poluare radioactivă în caz de accident

Scara

“geografică”

de poluare

Globală (întreaga planetă) ContribuŃia la efectul de seră (în principal prin CO2)

Efectele ecologice regionale pot cuprinde suprafeŃele a mai multe Ńări şi pun problema poluărilor transfrontaliere (poluatorul se află într-o Ńară iar Ńinta în alta). Limitarea poluărilor regionale transfrontaliere şi a poluării globale necesită acorduri interstatale.

Efectul factorului “timp” asupra intensităŃii poluării

Regimul de lucru Exemple

Poluarea cu gaze de ardere, cenuşă zburătoare Poluare în regim de funcŃionare “normală” 1 Poluarea termică a apelor de suprafaŃă

Viituri provocate de ruperi de baraje la CHE

După situaŃiile

în care apare

poluarea deosebim: Poluare accidentală 2

Poluare radioactivă în caz de accident nuclear

Intervalul de timp Exemple

Înainte de PIF Poluarea din activitatea de construcŃie a centralei şi de realizare a echipamentelor acesteia Poluarea din funcŃionarea propriu zisă a centralei

În cursul exploatării “normale” Poluare din activităŃi conexe funcŃionării centralei (de

exemplu la minele de cărbune, fabrici de apă grea, etc) În cursul exploatării în situaŃii accidentale

Vezi mai sus

După terminarea exploatării

Lucrări de dezafectare (re-ecologizarea amplasamentului)

După scara

“temporală”

a poluării

deosebim:

Pe întreaga durată de viaŃă Totalul activităŃilor de mai sus 3

Exprimarea noxelor la emisie şi imisie. Fluxuri de noxe “globale” şi “raportate”.

Noxele pot fi exprimate în diverse moduri. După “locul” de exprimare deosebim noxe: � la “emisie” (sursă) – mod de analiză util pentru analiza de impact a unei surse; � la “imisie” (receptor, “sistem Ńintă”) - permite evidenŃierea poluării unui mediu (aer, apă, etc).

După modul de analiză cantitativă noxele se pot exprima: � ca mărimi absolute (cantităŃi, fluxuri); � ca mărimi raportate, fie sub formă de concentraŃii în mediul în care se face diluŃia (g.a., aer, 1 Are loc cu fluxuri masice şi energetice mici dar pe durate de timp mari. Aceasta se datorează eliberării permenente, continue şi eventual controlabile a fluxurilor de noxe ce apar în regimul “normal” de funcŃionare a centralelor. 2 Apare în regimuri accidentale, când se pot elibera într-un interval scurt de timp cantităŃi mari de substanŃe şi/sau energie, cu efecte “catastrofice”. Pentru studiul acestor situaŃii se dezvoltă analize de risc ce trebuie să determine amploarea efectelor şi probabilitatea de apariŃie a evenimentelor cu efecte ecologice grave. La situaŃii de tip “catastrofic” se determină probabilitatea admisă a evenimentelor conform principiului ALARA (As Low As Reasonable Achievable). 3 Pentru integrare pe durata de viaŃă a centralei a efectelor noxelor accidentale cu cele “normale” trebuie să se Ńină seama de probabilitatea de apariŃie a accidentelor.


3

apă) fie raportate la efectul util al instalaŃiei poluatoare (în cazul de faŃă la energie). Exprimarea noxelor sub formă raportată este deosebit de utilă pentru normarea noxelor admisibile.

ConcentraŃia de noxe la emisie, în agentul purtător, reprezintă raportul între fluxul de noxe şi

fluxul de agent purtător care evacuează aceste noxe. Exemplu, pentru CTE: ]..

[3

_2

agm

mg

N

emisSO . Acest tip

de concentraŃie la emisie este supusă unor limitări prin reglementări specifice. Acestea trebuie să prevadă inclusiv modul de exprimare a fluxurilor de agent purtător. ConcentraŃia de noxe la imisie reprezintă raportul între cantitatea de noxe şi cantitatea de agent

poluat de aceste noxe. Exemplu: ][3

_2

aerm

mg

N

emisSO . ConcentraŃia la imisie poate fi coborâtă printr-o cât

mai bună dispersie a noxelor în mediul poluat. “Istoric” primele norme au fost cele referitoare la imisiile de noxe. EvidenŃierea efectului unei surse la imisie este dificilă atunci când mai multe surse îşi exercită influenŃa de acelaşi tip asupra aceluiaşi receptor.

CantităŃile şi fluxurile “globale” de noxe la “emisie” se pot exprima sub diferite forme: � cantităŃi totale de noxe eliberate accidental 4; � cantităŃi totale de energie eliberate accidental 5; � cantităŃi totale de noxe (energii) eliberate în funcŃionarea “normală” a centralei pe durata de

viaŃă; � fluxuri masice [kg/s], “volumice” [ smN /3 ] sau de energie [kW, MW] în funcŃionarea

“normală”. Exprimarea cantităŃilor şi fluxurilor globale permite evidenŃierea impactului unui obiectiv, dar nu permite compararea între ele a diverselor obiective cu producŃii diferite. În acest ultim scop sunt necesari indicatori raportaŃi de tip concentraŃii la emisie şi la imisie, factori de emisie, etc.

După posibilitatea de reutilizare, evacuare sau stocare controlată noxele pot fi:

a) noxe reciclabile sau care pot fi transformate relativ uşor în substanŃe reutilizabile. Zgura şi cenuşa sunt substanŃe neutre chimic. Acestea pot fi folosite ca umplutură sau ca materie primă într-o altă industrie. Ex: � cenuşa cu conŃinut de calcar se poate folosi la fabricile de ciment. � cenuşa cu bauxită se poate folosi la fabricile de alumină. � cenuşa “neutră”, ce conŃine silicaŃi, poate fi folosită ca material de umplutură în amenajarea

terenurilor sau în construcŃii, granulaŃia sa fiind comparabilă cu cea a nisipului.

b) neutralizabile – pot fi transformate în cadrul procesului de reŃinere a noxelor în centrale în substanŃe utile sau în substanŃe nepericuloase.

SO2 + Ca(OH)2 ⇒ CaSO3 + H2O (+H2O + ½ O2 ⇒ gips (CaSO4·2H2O)) c) noxe care pot fi evacuate controlat prin diluŃie într-un mediu astfel încât concentraŃia să scadă sub limitele admisibile d) noxe stocabile controlat. Ex: noxe puternic radioactive.

4 De exemplu “inventarul” de substanŃe radioactive evacuate în mediu la un accident nuclear, sau cantitatea de apă din lacul de acumulare la o spargere de baraj CHE. 5 De exemplu “inventarul” de radioactivitate asociat substanŃelor evacuate în mediu la un accident nuclear (Ńinând seama şi de tipul de dezintegrări, energia radiaŃiilor şi durata de înjumătăŃire), sau cantitatea de energie din lacul de acumulare, la o spargere de baraj CHE.


4

PoluanŃi rezultaŃi în urma arderii combustibililor fosili

• Categorii de poluanŃi în CCA

În tabelul de mai jos sunt prezentaŃi principalii poluanŃi atmosferici rezultaŃi din arderea combustibililor fosili. Dintre aceştia, în cazul CCA (Centrală ConvenŃională cu Abur) cei mai importanŃi poluanŃi sunt oxizii de sulf, oxizii de azot şi pulberile. Există norme care prevăd limitele maxime admisibile pentru concentraŃiile acestor trei poluanŃi în gazele de ardere evacuate în atmosferă.

PoluanŃi rezultaŃi din arderea combustibililor fosili

Poluant Efecte Oxizi de sulf (SO2, SO3) Dăunează direct organismului uman.

AcŃionează asupra florei şi faunei. Determină formarea ploilor acide.

Oxizi de azot (NO, NO2) Dăunează direct organismului uman. Determină formarea ploilor acide.

Pulberi (cenuşa zburătoare) IritaŃii ale mucoaselor oculare şi cele ale căilor respiratorii. Dioxidul de carbon (CO2) Contribuie la efectul de seră. Protoxidul de azot (N2O) Contribuie la efectul de seră.

Favorizează distrugerea păturii protectoare de ozon din stratosferă.

Monoxidul de carbon (CO) Efecte toxice asupra regnului animal (fixarea hemoglobinei din sânge, ducând în final la înrăutăŃirea alimentării cu oxigen a organismului şi la sufocare).

Clorul; fluorul (Cl, F) Formare de acizi (HCl, HF) cu efecte toxice. Fluorul contribuie la distrugerea stratului de ozon.

Aerosoli toxici Efecte toxice şi cancerigene. Metale grele (Cr, Ni, Cd, As, Pb, Hg – mercurul, etc.)

Efecte toxice şi cancerigene. Exemple: Plumbul - anemie şi intoxicaŃii cronice; Mercurul - neurotoxină.

Funinginea (carbon nears) Efecte negative asupra regnului animal (afectează vederea şi respiraŃia) şi vegetal.

• Dioxidul de carbon – CO2

Dioxidul de carbon reprezintă unul din principalii poluanŃi rezultaŃi în urma arderii combustibililor fosili. Din punct de vedere al concentraŃiei în atmosferă se manifestă o accentuată creştere în ultimii două sute de ani: de la aproximativ 285 ppm în anul 1800, la 300 – 350 ppm în zilele noastre. Principalul efect negativ al CO2 este legat de absorbŃia radiaŃiilor IR emise de pământ şi accentuarea efectului de seră, cu toate efectele sale negative (schimbări ale zonelor climaterice, topire a calotelor polare, ridicare a nivelului mărilor şi oceanelor). Dintre măsurile de reducere a emisiei de CO2 se amintesc:

- Creşterea eficienŃei de conversie a energiei primare din combustibilii fosili. - Utilizarea unor combustibili cu conŃinut scăzut de carbon. Din figura următoare se poate

constata că din acest punct de vedere gazul natural este avantajat. - Înlocuirea combustibililor fosili cu alte forme de energie primară (ex. combustibili nucleari,

surse regenerabile, etc.).


5

0,42

0,33

0,27

0,2

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

0,45

Carbune inferior Carbune superior Pacura Gaz natural

kg

CO

2/k

Wh

t

Emisia de CO2 pentru 1 kWht rezultat din arderea combustibilului

• Protoxidul de carbon – N2O

Experimental s-a dovedit că N2O reprezintă o emisie secundară, nedorită, rezultată în urma aplicării tehnicilor de reducere a concentraŃiei de NOX din gazele de ardere. Până la temperaturi de 600 °C, protoxidul de azot este un gaz stabil, după această valoare el descompunându-se conform reacŃiei: N2O + O → N2 + O2 În zona stratosferei (10 – 50 km altitudine), N2O devine un gaz nociv, contribuind la distrugerea păturii de ozon: N2O + O3 → N2 + 2O2

• Monoxidul de carbon – CO PrezenŃa monoxidului de carbon în gazele de ardere este o consecinŃă a arderii incomplete a combustibilului din punct de vedere chimic. Efectul principal asupra regnului animal este fixarea hemoglobinei din sânge, ducând în final la înrăutăŃirea alimentării cu oxigen a organismului şi la sufocare (CO are o afinitate faŃă de hemoglobină de 300 de ori mai mare decât a O2). Reducerea emisiei de CO se poate face în primul rând printr-un control corespunzător al arderii (asigurarea unei arderi complete).

• Clorul; fluorul Emisiile de compuşi ai Cl şi F caracterizează îndeosebi procesele de ardere ale deşeurilor menajere urbane. Prin reacŃie cu vaporii de apă se formează HCl şi HF, care au efecte toxice asupra biosistemelor. De asemeni, acidul clorhidric va conduce la coroziunea componentelor metalice ale cazanelor de abur:

• Aerosoli toxici Aerosolii toxici sunt o consecinŃă a arderii incomplete a combustibililor, reprezentând unii din cei mai nocivi poluanŃi. Ei sunt constituiŃi din hidrocarburi aromatice care au efect puternic cancerigen. La ieşirea din instalaŃia de ardere, aerosolii cristalizează sub formă de particule foarte fine (dimensiunea medie 0,025 µm) şi plutesc prin aer. Evitarea formării acestor poluanŃi se realizează printr-o ardere completă, corespunzătoare din punct de vedere al temperaturii, timpului de staŃionare în focar şi al excesului de O2.

• Metale grele Efectele negative ale cenuşii zburătoare sunt accentuate de prezenŃa în compoziŃie a unor

metale cu acŃiune toxică şi cancerigenă. ReŃinerea acestor metale se face odată cu cenuşa, în instalaŃii specializate. ConcentraŃia de metale grele în cenuşă este dependentă evident de caracteristicile cărbunelui utilizat.


6

Noxe de ardere. Combustibili energetici: tipuri, caracteristici Principalele caracteristici ale combustibililor energetici “clasici” sunt legate de: � starea de agregare: combustibili solizi, lichizi şi gazoşi; � compoziŃia chimică (participaŃii masice sau volumice ale diferitelor componente 6); � puterea calorifică ⇒ cantitatea de căldură degajată prin arderea completă a 1 kg de

combustibil solid sau lichid sau a 1m3N de combustibil gazos 7;

� necesarul de aer de ardere şi producŃia de gaze de ardere “umede” (conŃinând vapori de apă) şi “uscate” (fără vapori de apă), exprimate în m3

N de aer sau de g.a. pentru 1 kg de combustibil solid sau lichid sau pentru 1m3

N de combustibil gazos şi determinate din ecuaŃiile chimice de ardere;

� conŃinutul de substanŃe volatile, dintre acestea cele organice influenŃează inflamabilitatea.

Pentru combustibilii solizi şi lichizi compoziŃia elementară se exprimă în participaŃii masice Ex. numerice

Nr. Componente

principale CompoziŃia elementară NotaŃia

Păcură Lignit

1a Procentul de Carbon organic 8 CO 83 20 1b Procentul de Hidrogen organic HO 8,5 2 1c Procentul de Oxigen organic 9 OO 1 7,4 1d Procentul de Nitrogen organic 10 NO 1 2 1e

Procente de masă organică, Morganică din care: Procentul de Sulf organic 11 SO 3,5 0,6

1

TOTAL MASĂ ORGANICĂ 2a Procentul de Sulf din sulfuri 12 Ssulfuri - 0,2

2 2b

Procente de masă anorganică TOTAL MASĂ ANORGANICĂ A 1 28

3 Procentul de umiditate W 2 40 4 Verificare compoziŃie Morganică + W + A = 100

C; H; O; N S0 Ss M Wt

Sulf Umiditatea Masa organică

convenŃională organic sulfură Masa min. necomb. higroscopică de îmbibaŃie

6 Aceasta influenŃează atât caracteristicile ecologice cât şi pe cele de ardere. 7 Produsele de ardere conŃin apă provenită din umiditatea iniŃială sau din arderea hidrogenului. După starea de agregare în care se găseşte această apă, deosebim: A) Puterea calorifică superioară Hs, când apa se găseşte în stare lichidă şi a cedat, prin condensare, căldura latentă de vaporizare; şi B) Puterea calorifică inferioară Hi, când apa se află în stare de vapori. 8 Acesta produce prin ardere CO2, care participă la efectul de seră. 9 PrexistenŃa oxigenului în masa organică reduce necesarul de oxigen din aer pentru ardere. 10 Azotul organic poate oxida “prompt”, producând NOX, responsabil, alături de SOX, de ploaia acidă. 11 InfluenŃează producŃia de SO2 şi SO3 (prescurtat SOX), care participă la fenomenele de ploaie acidă. 12 La temperaturile din focar pirita se descompune iar Sulful provenit din ea oxidează.

(o) Masa organică

(mc) Masa combustibilă

(anh) Combustibil anhidru

(a) Proba uscată la aer

(i)Proba iniŃială


7

Exemplu de clasificare a cărbunilor după gradul de încarbonizare Clase Grupe

1. Turbă

2. Cărbune brun

2.1. Cărbune brun pământos 2.2. Cărbune brun lemnos (lignit) 2.3. Cărbune brun mat 2.4. Cărbune brun “lucios” (“smolos”)

3. Cărbune brun huilos

4. Huilă

4.1. Huilă flambantă (cu flacără lungă) 4.2. Huilă de gaz 4.3. Huilă grasă 4.4. Huilă de cocs 4.5. Huilă slabă degersantă 4.6. Huilă antracitoasă

5. Antracit

În afară de cărbune se pot utiliza alŃi combustibili solizi: �� fosili (şisturi bituminoase, OrinOil); �� biomasă (lemn, deşeuri de lemn, paie); �� deşeuri combustibile industriale şi urbane ş.a. Păcura este un subprodus de la distilarea petrolului. CompoziŃia elementară a sa depinde de cea a petrolului brut şi de “adâncimea” de extracŃie de la procesul de distilare 13. Păcura folosită uzual în CTE şi CET poate fi cu conŃinut de Sulf ridicat (> 2%), mediu (0,5÷2%) sau redus (sub 0,5%).

Puterea calorifică superioară a combustibililor solizi sau lichizi se poate determina pe cale experimentală, sau prin calcul pornind de la analiza elementară (în procente):

Formula Mendeleev Hs = 339·C + 1256·H + 109· (S – O) [kJ/kg]

Conform definiŃiei puterea calorifică inferioară se determină pornind de la cea superioară şi Ńinând seama de căldura latentă de condensare a vaporilor de apă (2 509) kJ/kg:

Hi = Hs – 2509· (9·H/100+W/100) [kJ/kg]

Formula Mendeleev Hi = 339·C + 1256·H + 109· (S – O) – 25,1· (W + 9·H) [kJ/kg]

Pentru combustibilii gazoşi compoziŃia elementară se exprimă în participaŃii molare:

fH2; fCO; fH2S; fCH4 ⇒

∑∑∑∑====

====

====

nj

jj

CH

CHf

1

4

4νννν

νννν; fC2H6; fC3H8; fC4H10; fC5H12; ş.a.m.d.

gaze “de sondă”, asociate zăcămintelor petroliere Combustibil gazos fosil gaze naturale din pungi fără hidrocarburi lichide

gaz de cocserie Combustibil gazos din industrie gaz de furnal Combustibil gazos sintetic, obŃinut din comb. solizi sau lichizi: gaz de gazogen

După sursă deosebim:

Biogaz – combustibil gazos de fermentaŃie

13 Cu cât petrochimia extrage mai multe “produse albe” (ex. prin hidrogenare sau cracare termică şi catalitică) scade procentul de păcură şi creşte participaŃia de hidrocarburi grele în păcură.


8

CompoziŃia combustibililor gazoşi variază mult în funcŃie de sursă. În afară de gaze combustibile ei pot să conŃină şi gaze care nu participă la ardere (N2; CO2, ş.a.). În plus: � comb. gazoşi “industriali” (gaze de cocs, de furnal etc.) conŃin particule solide, din care unele

pot fi combustibile; � compoziŃia la utilizare poate să difere în raport cu cea de la sursă.

În calcule aceşti combustibili sunt trataŃi ca amestecuri de gaze. Puterile calorifice superioară şi inferioară ale amestecului se determină ca medii aritmetice ponderate ale puterilor calorifice ale componentelor: •••• fiecare componentă este luată cu ponderea molară în amestec; •••• pentru fiecare componentă Hi şi Hs se raportează la 1m3

N, iar rezultatul se obŃine în aceeaşi UM;

•••• valorile Hi şi Hs pe componente sunt determinate exact, experimental; •••• componentele necombustibile se iau cu puteri calorifice nule 14.

Denumirea Formula Hi [kJ/1m

3N]

Hidrogen H2 10 742 Oxid de Carbon CO 12 635 Hidrogen sulfurat H2S 23 381 Metan CH4 35 707 Etan C2H6 63 572 Propan C3H8 91 023 Butan C4H10 118 339 Pentan C5H12 145 767 Etilen C2H4 59 461 Propilen C3H6 86 402

js

nj

jjs HfH ⋅=∑

=

=1

ji

nj

jji HfH ⋅=∑

=

=1

Componentele care prezintă “pericol” ecologic sunt C (din CO2, CO şi hidrocarburi) şi S (din H2S). Necesarul de aer de ardere şi producŃia specifică de gaze de ardere “umede” şi “uscate”, exprimate în m3

N de aer (sau de g.a.) pe 1m3N de combustibil gazos se determină tot pornind de la

ecuaŃiile de ardere pe componente, apoi se face media aritmetică ponderată molar, pentru amestec.

Noxe de ardere – totalitatea noxelor legate de procesul de combustie. Mărimea noxelor de ardere este puternic influenŃată de: � calitatea combustibilului; � tipul tehnologiei de ardere; � folosirea instalaŃiilor de reŃinere a noxelor.

Din punct de vedere al calităŃii combustibilului, mărimile cele mai importante sunt: � Hi - puterea calorifică inferioară; � C – conŃinutul de carbon depind de compoziŃia elementară � S – conŃinutul de sulf � A – conŃinutul de substanŃă anorganică

� ][3

0

lcombustibi

Na kg

aermL - cantitatea de aer rezultată în urma arderii stoechiometrice

� ]..

[3

_0

lcombustibi

Nuscatga kg

agmV cantitatea de gaze de ardere uscate rezultate în urma arderii stoechiometrice

� ]..

[3

_0

lcombustibi

Numedga kg

agmV cantitatea de g.a. umede rezultate în urma arderii stoechiometrice

14 Aceasta reduce puterea calorifică inferioară a amestecului.


9

Atât concentraŃiile de noxe cât şi factorii de emisie sunt rapoarte între fluxuri dar fiecare din fluxurile de la numărător şi numitor este proporŃional cu debitul de combustibil. Acesta permite ca în expresia concentraŃiilor şi factorilor de emisie să nu intervină elemente legate de mărimea instalaŃiei.

Factori de emisie de noxe de ardere la instalaŃiile energetice.

Prin definiŃie: PutereW

Cantitatef noxe

energie

noxeemisie

ΦΦΦΦ========

ExplicaŃie:

Energie

Masa

kWh

g

kWPutereh

gDebit

kg

g

h

s

kWPuteres

kgDebit

Puteref noxenoxe

noxemasic

noxe

noxe

noxemasic

noxeemisie =

==⋅⋅⋅=

Φ=

][

][][10][106,3

][

][33

D.p.d.v. dimensional pentru o noxă sub formă de substanŃă cantitatea se poate exprima în unităŃi de

masă şi:

====

kWh

g

W

Masaf

energie

noxeemisie

Obs. 1: În factorul de emisie energia de la numitor poate fi cea primară (dezvoltată prin arderea combustibilului) sau cea utilă (la CTE cea electrică). Obs.2: Nu toate noxele produse sunt emise. Unele pot fi reŃinute în C(T)E. Aceasta face ca factorul de emisie să depindă atât de producŃia de noxe (pentru noxele de ardere aceasta este dictată în mare măsură de compoziŃia combustibilului) cât şi de factorul (factorii) de reŃinere.

InfluenŃa calităŃii combustibilului asupra noxelor de ardere. Exemplu pentru factorul de emisie

de CO2.

În cazul CO2, din cauza debitelor mari şi costurilor extrem de ridicate, nu se practică (momentan) reŃinerea. Ca urmare emisia de CO2 este egală cu producŃia. Poluatorii trebuie să plătească “taxe de CO2” ($/t CO2).

⋅⋅=

⋅⋅=

lcombustibi

COorganic

lcombustibi

CO

Catomica

COmolaraorganicCO kg

gC

kg

g

A

MCMasa 222

21000

12

44

1001000

100 _

_

⋅⋅=

⋅

⋅

= −

s

kg

A

MCB

g

kg

kg

gMasa

s

kgBDebit CO

Catomica

COmolaraorganics

CO

CO

lcombustibi

COCO

lcombustibisCO

22

2

22

22_

_3

10010

[ ]

⋅

==

kg

kJH

s

kgBkWPPutere isardereprindezvoltatitermicitcardereprindezvoltatatermica ______

Dacă energia de la numărător este cea dezvoltată prin arderea combustibilului, avem:

[ ]

⋅⋅

⋅=

⋅⋅=ardereprindezvoltatatermica

COorganic

itermicitc

COCO

primenergrapCOemisie kWh

gC

HkWP

s

kgDebit

f___

66__

_2

2

2

2 12

44

100

106,3106,3

Factorul de emisie raportat la energia dezvoltată prin ardere este caracteristic combustibilului; pentru reducerea sa trebuie să se utilizeze un combustibil cu un raport Corganic/Hi cât mai mic (ex. gazul natural). În al doilea caz:

[ ] netislivratielectricinettcutilaelectrica kg

kJH

s

kgBkWPP ηηηηηηηη ⋅

⋅

=⋅= __

⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅

ηηηη⋅⋅⋅⋅

⋅⋅⋅⋅====

⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅====livrata_electrica

COorganic

netilivrati_electiciutila_electrica

COCO

.electr_energ_rapCO_emisie kWh

gC

H,

]kW[P

s

kgDebit

,f 2

2

2

2 12

44

100

10631063

66


10

Factorul de emisie raportat la producŃia de electricitate depinde nu numai de caracteristicile combustibilului ci şi de tehnologia de conversie termodinamică (prin intermediul randamentului centralei). ObservaŃii: 1. pentru CO2 nu se practică măsuri de reŃinere;

2. Raportul C/Hi este puternic dependent de calitatea combustibilului datorită factorului că principala componentă organică care determină valoarea Hi este chiar C. De obicei combustibilii cu procent mare de C au şi Hi mare.

Combustibilul ce minimizează factorul de emisie de CO2 este gazul natural, la care:

- ponderea C în masa combustibilă este mai mică decât la hidrocarburile grele (la CH4 este 75 %, faŃă de (în general) peste 85 % la păcură);

- Hi exprimată în kJ/kg este mai mare decât la hidrocarburile lichide în principal datorită ponderii mai mari a H în masa combustibilului (CH4: Hi = 50000 kJ/kg, păcură: Hi = 39000 kJ/kg).

Folosirea gazului natural permite tehnologii avansate de conversie termodinamică (ciclu combinat gaze-abur) care majorează randamentul brut al centralei la peste 50 %.

InfluenŃa calităŃii combustibilului şi a tehnologiilor de reŃinere asupra noxelor de ardere.

Exemple pentru factorii de emisie de SO2 şi de cenuşă zburătoare

Factorul de emisie de SO2 în cazul absenŃei instalaŃiilor de reŃinere:

100032

64

1001000

100_

_

__

22

2⋅⋅=

⋅⋅= lcombustibi

lcombustibi

produsSO

Satomica

SOmolaralcombustibiprodusaSO

S

kg

g

A

MSMasa

⋅⋅

⋅=

ardereprindezvoltatatermica

produsSOlcombustibi

i

primenergrapSOproductie kWh

gS

Hf

___

_6

___

2

2 32

64

100

106,3

Şi acesta este caracteristic combustibilului. În prezenŃa instalaŃiilor de reŃinere:

−⋅−⋅⋅⋅=

lcombustibikg

emisSOscruberretinereSO

focarretinereSO

lcombustibiemisaSO kg

gff

SMasa

_

__2

_2_

2

2)1()1(1000

32

64

100

])[1()1(32

64

100

10*6,3

__

__2

_2

6.__

_2

2ardereprindezv


focarretinereSO

lcombustibi

i

primaraenergrapSOemisie kWh

gff

S

Hf −⋅−⋅⋅⋅=

Factorul de emisie raportat la căldura dezvoltată prin ardere caracterizează combustibilul, tehnologiile de ardere şi pe cele de reŃinere suplimentară a SO2. Dacă se doreşte raportarea la energia utilă:

])[1()1(32

64

100

106,3

_

__2

_2

6.__

_2

2livrataelectr


focarretinereSO

lcombustibi

neti

electrenergrapCOemisie kWh

gff

S

Hf −⋅−⋅⋅⋅

⋅

⋅=

ηηηη

Factorul de emisie raportat la producŃia de electricitate caracterizează A) combustibilul, B) tehnologiile de ardere şi de reŃinere suplimentară a SO2 şi C) tehnologia de conversie.

Factorul de emisie pentru cenuşă zburătoare (Ńinând seama de reŃinerea în cazan şi la evacuare).

⋅=

lcombustibi

cenusazguraanorganiccenusazgura kg

gAMasa &

& 1000100

⋅=

ardereprindezvoltatatermica

cenusazguraanorganic

i

primenergrapcenusazguraproductie kWh

gA

Hf

___

&6

__&_ 100

10*6,3

⋅

⋅

⋅=

livrataelectrica

cenusazguraanorganic

neti

electricaenergrapcenusazguraproductie kWh

gA

Hf

_

&6

__&_ 100

106,3

ηηηη


11

])[1()1(100

10*6,3

__

_.__._

_&

6.__

.__ardereprindezv

emiszbcenfiltruretinerezbcen

focarretinerecenzgura

anorganic

i

primaraenergrapzbcenemisie kWh

gkk

A

Hf −⋅−⋅⋅=

Este o caracteristică a combustibilului, tehnologiilor de ardere şi de reŃinere suplimentară a zgurii şi cenuşii. Dacă se doreşte raportarea la energia utilă:

])[1()1(100

106,3

_

_.__._

_&

6__

.__livrataelectrica

emiszbcenfiltruretinerezbcen


anorganic

neti

electricaenergrapzbcenemisie kWh

gkk

A

Hf −⋅−⋅⋅

⋅

⋅=

ηηηη

Este o caracteristică a combustibilului, tehnologiilor de ardere şi de reŃinere suplimentară a zgurii şi cenuşii şi tehnologiei de conversie. ObservaŃii: 1. La centrale pe păcură focarretinere

cenzgurak _& este neglijabil. Pentru procente de anorganic de 2 ÷ 3 % pot

rezulta concentraŃii de cenuşă mai mari decât cele admisibile din normele severe ⇒ chiar şi centrale pe păcură trebuie dotate cu electrofiltre.

2. La centralele pe cărbune se pot realiza coeficienŃi de reŃinere în focar de ordinul 1/4 până la 1/3. Datorită cotei mari de anorganic, concentraŃia de cenuşă zburătoare la ieşirea din focar rezultă mai mare ca cea admisibilă şi impune folosirea filtrelor.

În general tehnologiile de ardere aplicate instalaŃiilor industriale necesită reducerea granulaŃiei la combustibilul solid şi mărirea vitezei în focar şi cazan pentru intensificarea procesului. D.p.d.v. ecologic aceasta măreşte antrenarea cenuşii şi micşorează factorul de reŃinere a cenuşii în focar obligând la folosirea unor sisteme eficiente de filtrare.

ConcentraŃiile de noxe de ardere la emisie.

Se determină prin raportarea fluxului de noxe la fluxul de agent purtător. Exemple pentru concentraŃiile de SO2 şi cenuşă zburătoare în gazele de ardere:

Fie un combustibil care necesită pentru ardere stoechiometrică o cantitate ]kg

aerm[L

lcombustibi

3N0

a şi

dezvoltă prin arderea stoechiometrică o cantitate de gaze de ardere ]kg

.a.gm[V

lcombustibi

3N0

ga . În condiŃiile

reale de ardere, cu coeficientul de exces de aer ααααevacuare cantitatea reală de gaze de ardere va fi:

]..

[)1(3

00

lcombustibi

Naevacuarega

realga kg

agmLVV ⋅−+= αααα

Prin raportare avem:

]..

[)1(

)1()1(100032

64

1003

_

00

_2

_2

_22

2 agm

g

LV

ffS

V

Mc

N

emisSO

aevacuarega

scruberretinereSO

focarretinereSO

lcombustibi

realga

SOemisaSO

⋅−+

−⋅−⋅⋅⋅==

αααα

]..

[)1(

)1()1(1000100

3

_

00

_._

_&

___

agm

g

LV

kkA

V

Mc

N

zbcen

aevacuarega

filtruretinerezbcen


realga

zbcenemisazbcen

⋅−+

−⋅−⋅⋅==

αααα

Aceste concentraŃii caracterizează combustibilul, tehnologiile de ardere şi de reŃinere suplimentară a SO2, respectiv zgurii şi cenuşii. ObservaŃii: � concentraŃiile se raportează la cantitatea de gaze de ardere uscate; � pentru a permite comparaŃia între diferite calităŃi de combustibil şi tehnologii de ardere se

recomandă să nu se lucreze cu coeficientul real de exces de aer la evacuare, ci cu un coeficient echivalent corespunzător unei anumite concentraŃii de O2 în g.a. uscate 15.

15 Spre exemplu se consideră g.a. uscate cu 3 % O2, corespunzător unui exces de aer de 7/6.


12

Formarea NOx la arderea combustibililor

Azotul ce se transformă în NOx poate proveni din componenŃa organică a combustibililor solizi sau din aer. Cea mai mare parte a NOx din ardere este sub formă de NO. După mecanismele de formare a NO deosebim:

� NO termic – format în flacără prin oxidarea moleculelor de N2 din aer16. Necesită un aport energetic pentru a rupe moleculele de N2. Formarea NOtermic este intensificată la T de ordinul a 1500 K. În plus producŃia de NOtermic este proporŃională cu rădăcina pătrată a concentraŃiei O2.

� NO din combustibil – format prin oxidarea Norganic din combustibil. Deşi mecanismele de producere sunt mai puŃin stăpânite matematic, este general admis că NO din combustibil se produce şi la temperaturi mai mici de combustie. Cantitatea de NO creşte cu procentul de Norganic şi cu concentraŃia în O2 din flacără, fiind mai puŃin dependentă de temperatură.

� NO prompt – rezultă dintr-o combinaŃie a proceselor de mai sus17 şi produce o fracŃiune mică de NO. NO2 şi N2O sunt forme de NOx a căror producŃie la ardere este neglijabilă. În plus durata de viaŃă a N2O la temperaturi sub 1500 K este de 10 ms. În aceste condiŃii compoziŃia combustibilului influenŃează în mult mai mică măsură producŃia de NOx, factorul de emisie şi concentraŃia de noxe, preponderentă fiind tehnologia de ardere.

Cum pentru oxidarea azotului trebuie să se îndeplinească simultan două condiŃii: • atmosferă bogată în oxigen; • temperatură ridicată de lucru; Tehnologia de ardere trebuie să se asigure: ♦ un exces mic de aer în zonele cu temperaturi mari; ♦ temperatură redusă în zonele cu exces mai mare de aer.

Tipurile de măsuri pentru reducerea noxelor de ardere: a) Clasificare după modul de acŃiune:

- măsuri care elimină sau reduc producŃia unor noxe prin alegerea parametrilor şi tehnologiilor avantajoase (utilizarea de arzătoare cu NOx redus);

- măsuri pentru reŃinerea noxelor în procesul tehnologic sau pe conturul dintre acestea şi mediu (reŃinere cenuşă zburătoare);

- măsuri de neutralizare a unor noxe şi transformarea lor în substanŃe nepericuloase; ele se combină cu cele de reŃinere;

- măsuri de dispersie a noxelor emise pentru a minimiza efectul la imisie (folosirea coşurilor cât mai înalte);

- măsuri de stocare temporară în condiŃii controlate a noxelor reŃinute, neutralizate. b) Clasificare după locul în care intervin măsurile de reducere a noxelor în raport cu procesul tehnologic:

� măsuri primare: • care intervin în amonte de procesul de ardere şi se referă la elemente care Ńin de

compoziŃia combustibilului; • care intervin în cadrul procesului de ardere şi se referă la alegerea unor tehnologii

adecvate tipului de combustibil şi centralei. � măsuri secundare: care intervin înainte de eliminarea fluxurilor mari de masă către mediul

ambiant şi care se bazează pe tehnologii de reŃinere, neutralizare. � măsuri terŃiare: care intervin în faza de dispersie în mediu a noxelor care nu au fost reŃinute şi stocare controlată a noxelor care au fost reŃinute.

16 Mecanismul de formare al NOtermic a fost descris pentru prima oară de Y. ZELDOVICH en 1946. El a fost dezvoltat ulterior de alŃi autori.. 17 Ca şi în cazul NOtermic, sursa de azote este N2 din aer, dar acesta din urmă este supus unor reacŃii de oxidare cu radicali ai hidrocarbonaŃilor, iar compuşii astfel formaŃi recŃionează după un mecanism apropiat de cel al NO din combustibil.


13

Măsuri “primare” de reducere a noxelor de ardere. Măsuri primare, ce se referă la îmbunătăŃirea calităŃii combustibililor, prin tratarea acestora

Tipurile de măsuri trebuie corelate cu combustibilul utilizat: � La combustibilul gazos se justifică pretratarea numai în cazul unor surse bogate în sulf organic

(H2S); este mai eficientă reŃinerea S din combustibil decât din gazele de ardere, în plus se reduc efectele corozive.

� Pentru păcură se poate justifica tratarea în vederea desulfurării în special la sorturile cu conŃinut mare de S. Procedeele de desulfurare sunt relativ scumpe şi ridică preŃul pe tonă cu valori de ordinul zecilor de $. Costul desulfurării unei tone de păcură este apropiat de diferenŃa de preŃ dintre păcura cu conŃinut redus de sulf şi cea sulfuroasă. Desulfurarea se poate face la sursă (rafinărie) sau la centrală.

� Pentru cărbune se pot aplica procedee fizice care să micşoreze conŃinutul de substanŃe anorganice (prin sortare pe ciururi vibratoare sau rotative; prin spălare) sau procedee care să reducă umiditatea (prin stocare bună sau prin uscare în afara sălii cazanelor – preuscare a cărbunelui). Aceste procedee duc la creşterea Hi şi la reducerea masei orare de combustibil la aceeaşi producŃie de electricitate. ObservaŃii: - În cazul sortării cărbunelui pe ciur, în fracŃia care se separă există componente

combustibile care se pierd. La spălare umiditatea combustibilului creşte. - Căldura pentru preuscare provine din ciclul termodinamic, în timp ce la uscarea în mori

provine direct din cazan. La preuscare separată de cea din mori se pierd volatile. D.p.d.v. al instalaŃiilor centralei măsurile descrise pot necesita adaptări în gospodăria de combustibil.

Tehnologii de ardere Tehnologiile de ardere se aleg în funcŃie de tipul combustibilului, de compoziŃia şi de proprietăŃile sale. CerinŃele tehnice şi ecologice pentru aceste tehnologii sunt:

•••• atingerea temperaturii de inflamabilitate a combustibilului de bază 18;

•••• realizarea unei suprafeŃe de contact cât mai mari între combustibil şi comburant 19;

•••• asigurarea unui timp suficient de remanenŃă a combustibilului în zona de ardere;

•••• arderea să fie completă atât din punct de vedere “chimic” 20 cât şi “fizic” 21;

• produsele de ardere să nu fie nocive;

• cantitatea de aer să fie apropiată de necesarul pentru arderea stoechiometrică, dar mai mare 22. Principalii parametri care definesc aceste tehnologiile de ardere sunt: - modul de “fragmentare” a combustibilului (amestec turbulent - pentru gaze, pulverizare - pentru

comb. lichid, tăiere, sfărâmare, concasare sau măcinare- pentru comb. solizi); - coeficientul “optim” de exces de aer, în raport cu necesarul pentru ardere stoechiometrică; - forma flăcării, modul de asigurare a timpului de remanenŃă a combustibilului în flacără; - modul de evacuare a produselor de ardere (în special a celor solide).

18 aceasta permite reducerea până la anulare a necesarului de combustibil suport pentru ardere; 19 pe această cale se intensifică shimbul de masă şi căldură; 20 în sensul că în g.a. nu trebuie să existe gaze combustibile, cum ar fi CO; 21 în produsele de ardere să nu existe vapori, picături de lichid sau particule solide (zgură şi cenuşă în focar,

praf în g.a.) de substanŃe combustibile care fie nu au participat la ardere fie au rezultat din ardere incompletă (cocs - la arderea imperfectă a păcurii);

22 reducerea debitului de aer micşorează pierderile prin căldura sensibilă a gazelor de ardere, dar o scădere excesivă poate să ducă la ardere incompletă.


14

Exemple de tehnologii de ardere

Arderea pe grătar a combustibililor solizi cu granulaŃie mare sau medie. Necesită un coeficient mare de exces de aer, realizat prin introducerea aerului în trepte (aer “primar” - pe sub grătar şi aer secundar – pe lângă grătar şi/sau pe deasupra acestuia). Zgura se evacuează de la partea inferioară a grătarului, sau chiar de sub grătar. Timpul de remanenŃă pe grătar este bun, totuşi apar nearse în zgură. Se foloseşte la cazane mici şi cel mult medii şi la incineratoare de deşeuri. Temperaturile reduse de ardere coboară producŃia de NOx. Pentru combustibilii inferiori se poate folosi si un combustibil suport.

Arderea în pat fluidizat a combustibililor solizi de granulaŃie mică. MenŃinerea în sustentaŃie se realizează prin introducerea aerului pe la partea inferioară, viteza mare de curgere şi dimensiunile mai mici ale granulelor. Timpul de remanenŃă în strat este mare, coeficientul de exces de aer e mai mic decât la arderea pe grătar şi nearsele scad. Evacuarea cenuşei se face din stratul de la suprafaŃă. Se poate folosi la cazane medii şi mari, dar nu foarte mari. Temperatura de ardere rămâne coborâtă. Este considerată o tehnologie curată ecologic. Permite folosirea unor adaosuri pentru desulfurare.

Arderea turbionară a combustibililor solizi sub formă de praf se foloseşte la cazane mari şi foarte mari. Permite valori coborâte ale excesului de aer, în condiŃiile unui procent mic de nearse. Forma turbionară a flăcării asigură timpul de remanenŃă, iar măcinarea fină măreşte suprafaŃa de contact între particule şi comburant.

Arderea pulverizată a combustibililor gazoşi şi lichizi. Se poate folosi la diverse mărimi de cazane. Permite valori coborâte ale αexces aer, cu nearse foarte mici. Timpul de remanenŃă nu pune probleme speciale. Pentru comb. lichizi necesită pulverizare fină pe cale mecanică (presiune, cupă rotativă) sau gazodinamică (cu abur).

Comb.

Cenuşă

Aer

Aer primar

Comb.

Aer secundar

Aer sec. Aer sec.

Zgura

Zgură, Cenuşă

Comb. Comb.


15

InfluenŃa tehnologiilor de ardere asupra emisiilor de noxe. � Aditivarea combustibililor lichizi grei se face în dublu scop: � Fluidizarea păcurii pentru îmbunătăŃirea manipulării şi arderii � ReŃinerea SO2 în focar şi transformarea sa într-un produs solid netoxic. În primul caz efectul ecologic se datorează îmbunătăŃirii arderii şi a randamentului cazanului, precum şi reducerii nearselor chimice şi mecanice. În al doilea caz se folosesc aditivi cu MgO în stare de pulbere fină, menŃinută în suspensie. În focar au loc reacŃiile: MgO + SO2 ⇒ MgSO3 (sulfit de magneziu) MgO + SO3 ⇒ MgSO4 (sulfat de magneziu). Coeficientul de reŃinere realizat este limitat şi nu creşte semnificativ la mărirea cantităŃii de aditivi. ConcentraŃia aditivului în păcură trebuie corelată cu conŃinutul de sulf al acestuia, datorită creşterii cheltuielilor cu conŃinutul de aditivi. Cota de reŃinere a SO2 şi SO3 prin reacŃie cu MgO în focar este de circa 30÷35 %. � Principala metodă de reŃinere a SO2 şi SO3 în focare cu ardere în pat fluidizat este amestecarea cărbunelui în concasor cu particule de calcar CaCO3. La temperatura din focar CaCO3 se descompune CaCO3 ⇒ CaO + CO2, iar CaO reacŃionează cu SO2 şi SO3: CaO + SO2 ⇒ CaSO3 (reŃinerea SO2 în sulfitul de Calciu) CaO + SO3 ⇒ CaSO4 (reŃinerea SO3 în sulfatul de Calciu) ⇒ reŃinerea SO2 în focar şi transformarea sa într-un produs solid netoxic. Arderea în pat fluidizat face ca particulele de cărbune să rămână un timp îndelungat în zona de temperatură mare, mărind probabilitatea de reacŃie între CaO şi gaze. Coeficientul de reŃinere în focar a SO2 şi SO3 atinge uzual valori de 40÷50 %. Cea mai mare parte din sulfat şi sulfit rămâne sub formă de cenuşă reŃinută în focar, iar partea de cenuşă zburătoare se poate reŃine uşor în electrofiltru datorită creşterii granulaŃiei acesteia (la măsurile terŃiare). Coeficientul de reŃinere a substanŃelor solide anorganice în focarele cu ardere în pat fluidizat este mult mai bun ca la arderea turbionară, deoarece:

- dimensiunile medii ale particulelor sunt mai mari; - viteza gazelor de ardere la partea superioară a stratului fluidizat este mai mică decât în

flacăra turbionară (timp mai mare de staŃionare). Arderea cărbunelui în pat fluidizat contribuie la reducerea noxelor şi prin îmbunătăŃirea arderii, a randamentului cazanului, precum şi prin reducerea nearselor chimice şi mecanice. � Măsuri pentru reducerea emisiilor de noxe la arderea pulverizată a cărbunelui. ReŃinerea SO2 şi SO3 în focar se realizează asemănător cu procedeul de la arderea în pat fluidizat. Calcarul preconcasat se introduce odată cu cărbunele în mori, unde este uscat şi măcinat până la o granulaŃie foarte fină. ReacŃiile din focar sunt de acelaşi tip. Spre deosebire de arderea în pat fluidizat:

- timpul de staŃionare în focar este mai mic (reduce probabilitatea de reacŃie: ca urmare coeficientul de reducere a SO2 şi SO3 scade la valori sub 25 %.

- granulaŃia CaSO3 şi CaSO4 rezultată din reacŃii este mult mai fină, iar viteza de circulaŃie a gazelor este mare.

Pe ansamblu se măreşte antrenarea pulberii solide, odată cu cenuşa zburătoare, iar reŃinerea propriu-zisă se va face la electrofiltru.


16

� Reducerea producŃiei de NOx în focar (în raport cu arderea turbionară) la arderea în pat fluidizat. Azotul ce se transformă în NOx poate proveni din componenŃa organică a combustibililor solizi sau din aer. Pentru oxidarea azotului trebuie să se îndeplinească simultan două condiŃii: • Atmosferă bogată în Oxigen • Temperatură ridicată de lucru. Tehnologia de ardere în pat fluidizat asigură un exces redus de aer, în condiŃiile unei temperaturi mai mici în zona de combustie decât la arderea pulverizată, fapt ce scade sensibil producŃia de NOx. Intensificarea arderii a fost o direcŃie de creştere a temperaturii, de intensificare a transferului de căldură şi de reducere a consumului de metal, cu efecte pozitive d.p.d.v. al cazanului, dar cu efecte negative asupra producŃiei de NOx. Avantajul arderii în pat fluidizat în raport cu arderea turbionară a cărbunelui este dat de reducerea temperaturii în focar prin răcirea patului fluidizat prin Ńevi imersate în acesta, producŃia de NOx scăzând de 3÷5 ori. � Arderea turbionară cu reŃinerea zgurii în stare lichidă ca metodă de creştere a coeficientului de reŃinere în cazan a substanŃelor solide anorganice. Pentru cărbuni cu Hi (putere calorifică) suficient de mare temperatura din focar poate să depăşească temperatura de înmuiere a zgurii şi cenuşii şi chiar temperatura de topire a acesteia. În stare lichidă fenomenele de antrenare sunt mai mici iar fenomenul de adeziune contribuie la aglomerarea picăturilor mari şi la depunerea lor pe pereŃi. Drenarea zgurii topite se face gravitaŃional. Evacuarea lichidă măreşte coeficientul de reŃinere în focar. Dezavantajul constă în necesitatea realizării unui focar separat nerăcit în care temperatura să fie cât mai apropiată de cea teoretică de ardere, în caz contrar temperatura scade ca urmare a radiaŃiei spre pereŃii cu Ńevi ecran şi nu se poate atinge temperatura de topire a zgurei. Dacă într-un focar clasic se atinge temperatura de topire a zgurei aceasta ajunge să curgă peste Ńevile din pâlnia focarului şi să se întărească provocând distrugeri sau blocări de circulaŃie. Folosirea unui focar separat de înaltă temperatură are câteva dezavantaje funcŃionale şi constructive:

- faptul că focarul este nerăcit impune ca cea mai mare parte a cazanului să se dezvolte în mod convectiv;

- pereŃii focarului trebuie realizaŃi din materiale refractare care să reziste la temperatura de topire a cenuşii, să nu corodeze la curgerea zgurii peste pereŃi şi să ofere o izolaŃie termică bună.

Dezavantajul ecologic este datorat creşterii producŃiei de NOx termic deoarece temperatura de topire a zgurii este comparabilă cu cea de oxidare a azotului. � Arderea cu trepte de aer

Procedeul se aplică la nivelul focarului. Reducerea NOx prin introducerea aerului în etape se bazează pe crearea a două zone distincte de ardere în focar: o zonă primară, cu lipsă de oxigen şi o zonă secundară cu exces de oxigen pentru a asigura arderea completă a combustibilului.


17

Această metodă reduce cantitatea de oxigen din prima zonă de ardere la 70 – 90 % din necesar. Arderea substoechiometrică suprimă conversia azotului din aer în NOx. Este redusă de asemenea formarea de NOx termic. În cea de a doua zonă arderea devine completă prin introducerea restului de aer necesar. Temperatura joasă din a doua zonă de ardere limitează de asemeni producŃia de NOx termic.

Principiul de aplicare a arderii cu trepte de aer Există două mari dezavantaje dacă procedeul nu este corect aplicat: formarea de monoxid de carbon şi arderea incompletă a carbonului. � Arderea cu trepte de combustibil şi comburant (aer) se bazează pe realizarea unui zone intermediare, cu exces de combustibil, în care NOx-ul, deja format în urma arderii, să se reducă la azot molecular. Mediul reducător se realizează cu ajutorul radicalilor de hidrocarburi proveniŃi din descompunerea combustibilului. Prin urmare, combustibilul trebuie introdus în două trepte, cea de-a doua treaptă având rolul de a forma mediul reducător pentru NOx-ul format anterior. Pentru a limita formarea de NOx şi în prima zonă de injecŃie a combustibilului, excesul de aer va fi mai mic decât cel necesar arderii complete. Pentru a oxida combustibilul nears, rămas din prima zonă de injecŃie, precum şi pe cel introdus în cea de-a doua zonă, este necesară existenŃa unei a treia zone în care să se introducă aerul necesar pentru arderea completă a combustibilului. Astfel, zona de reducere a NOx-ului devine o zonă intermediară. Cele trei zone formate, prin aplicarea procedeului de ardere cu trepte de combustibil şi comburant (aer), se remarcă prin următoarele: I. În prima zonă se arde combustibil într-un mediu uşor oxidant. Cantitatea de combustibil injectat

în această zonă dezvoltă prin ardere circa (80 ÷ 85) % din puterea termică totală. În urma arderii rezultă NOx. Cantitatea de NOx formată este cu atât mai mică cu cât ponderea puterii termice dezvoltate prin ardere este mai mică faŃă de puterea termică totală. Pentru a reduce formarea de NOx se introduce un exces de aer mai mic decât cel necesar pentru arderea completă a combustibilului. Aceasta face ca, la ieşirea din această zonă, să existe o cotă mică de combustibil nears. Cu cât excesul de aer este mai mare decât cel stoechiometric, cu atât cantitatea de NOx rezultată în urma arderii este mai mare. Arzătoarele folosite pot fi obişnuite sau cu NOx redus. Prin folosirea arzătoarelor cu NOx redus se combină, practic, două măsuri primare de reducere a NOx. În principiu, orice tip de combustibil fosil poate fi ars prin acest procedeu.

combustibil

aer

Zona II

Zona I

λ < 1 t ↑

gaze de ardere

aer

λ > 1 t ↓


18

Arderea cu trepte de combustibil şi de comburant („reburning”)

II. La intrarea în cea de-a doua zonă se injectează doar combustibilul complementar, formându-se

o zonă cu exces de combustibil. Se creează astfel un uşor deficit de aer (de oxigen), ce dă naştere la un mediu reducător. Aici, NOx-ul format în prima zonă se reduce, în prezenŃa radicalilor de hidrocarburi, în compuşi ai azotului (HCN, NHx), iar apoi în azot. Pentru a diminua formarea de NOx după prima zonă, ar fi bine ca la intrarea în cea de-a doua zonă combustibilul suplimentar să nu conŃină azot (sau să fie cât mai puŃin). Chiar dacă reacŃiile elementare din zona de reducere sunt foarte multe (peste 200), datorită faptului că sunt extrem de rapide timpul de staŃionare a gazelor de ardere în această zonă depinde efectiv de viteza de amestec între acestea şi combustibilul injectat. Cu cât această viteză este mai mare, cu atât timpul de staŃionare este mai mic şi înălŃimea acestei zone scade. Prin urmare, combustibilul complementar ideal este gazul natural. Chiar dacă preŃul gazului natural este ridicat, în comparaŃie cu păcura grea sau cărbunele, totuşi, pe lângă faptul că respectă integral condiŃiile anterioare, acesta are şi alte avantaje: nu conŃine sulf şi nici substanŃe anorganice. Mai mult, cantitatea de căldură dezvoltată de combustibilul complementar reprezintă doar (15 ÷ 20) % din puterea termică totală. Păcura uşoară este, de asemenea, de preferat în locul păcurii grele sau a cărbunelui.

III. La intrarea în cea de-a treia zonă se introduce restul de aer, astfel încât să se atingă excesul de

aer dorit. În această zonă se completează arderea hidrocarburilor nearse şi a CO. În prezenŃa aerului, azotul rezidual (rămas din prima zonă) se poate transforma în NO. Chiar dacă în zona a doua se reduce circa (70 ÷ 80) % din NOx-ul format în prima zonă, totuşi NO format în cea de-a treia zonă scade rata generală de reducere a NOx, prin acest procedeu, la circa (50 ÷ 60) %.

Acest procedeu se poate aplica atât la generatoarele de abur noi, cât şi la cele retehnologizate. În concluzie, arderea cu trepte de combustibil presupune împărŃirea procesului de ardere în trei zone. NOx-ul format în prima zonă (de ardere principală), în care are loc o ardere obişnuită, este redus la azot molecular în cea de-a doua zonă (de reducere a NOx), prin injecŃie de combustibil. Arderea se finalizează în zona a treia (de completare a arderii), prin injectarea restului de aer necesar arderii întregii cantităŃii de combustibil. � Recircularea gazelor de ardere

Procedeul constă în recircularea în focar a unei părŃi din gazele arse evacuate din generatorul de abur (vezi figura următoare). Efectul este reprezentat de diminuarea temperaturii şi reducerea excesului de oxigen în focar. În consecinŃă se reduce emisia de NOx termic. Prelevarea gazelor de ardere pentru recirculare se face în general după preîncălzitorul regenerativ de aer.

combustibil

combustibil

aer

aer

Zona III

Zona II

Zona I

λ3 > 1

λ1 ≈ 1,1

λ2 <1 (≈ 0,9)

gaze de ardere

Mediu oxidant (t ↓)

Mediu uşor oxidant

Mediu reducător


19

Pentru o instalaŃie funcŃionând pe cărbune, NOx termic nu reprezintă decât o mică fracŃie din NOx total. În consecinŃă, reducerea atinsă pentru centralele pe cărbune este de ordinul 5% şi de 20 - 50 % pentru centralele pe combustibil lichid sau pe gaz natural. Recircularea implică 10 – 12 % din volumul total de gaze de ardere.

Focar

Preîncălzitor aer

Electrofiltru 800°C

Schema de recirculare a gazelor de ardere � Arzătoare cu NOx redus ConstrucŃia de arzătoare cu producŃie redusă de NOx în sisteme de ardere turbionară pulverizată pentru combustibili gazoşi, lichizi şi solizi sub formă de praf.

Principiul general folosit pentru reducerea de NOx în ardere turbionară este evitarea simultaneităŃii celor două condiŃii enunŃate anterior (temperatură ridicată şi conŃinut mare de Oxigen), în sensul că: - în nucleul flăcării unde temperatura este foarte ridicată atmosfera trebuie să fie uşor

reducătoare şi amestecul (conŃinutul de Oxigen) să fie sub stoechiometric; - în zona periferică unde se termină arderea şi unde se realizează exces de Oxigen (pentru ardere

completă - ardere suprastoechiometrică) temperatura să fie mai mică decât cea de oxidare a azotului (sub cea de formare a NOx termic).

A. Arzătoare cu trepte de aer

Procedeul este similar cu cel prezentat, mai sus, la arderea cu trepte de aer, fiind aplicat de data aceasta la nivelul arzătorului. În acest proces aerul primar este amestecat cu cantitatea totală de combustibil, rezultând o zonă cu exces de aer subunitar şi temperatură scăzută. Ambele au efecte de inhibare a procesului de formare a oxizilor de azot. Urmează zone în care se introduce restul de aer (aer secundar şi terŃiar) pentru completarea arderii.

B. Arzătoare cu trepte de combustibil

Această tehnică are drept scop să reducă oxizii de azot deja formaŃi, prin adăugarea unei cote din combustibil în a doua fază de ardere. Introducerea în trepte a combustibilului este des utilizată în aplicaŃiile cu gaze naturale.

În prima zonă a arzătorului este introdusă o cotă de combustibil împreună cu o parte din aerul de ardere (flacăra primară). Această zonă se caracterizează printr-o temperatură relativ redusă a flăcării, care inhibă producerea de NOx. În a doua zonă a arzătorului este introdus restul de combustibil, în condiŃii de exces de aer scăzut (flacăra secundară). Este creată o atmosferă în care oxizii de azot deja formaŃi pot fi reduşi. Finalizarea arderii se face într-o a treia etapă, în care se introduce restul de aer. Arderea în trepte de combustibil poate fi completată cu o recirculare internă a gazelor de ardere. Prin injectarea unei cote de gaze de ardere în zona de combustie temperatura şi concentraŃia de oxigen din flacără scad, rezultând o reducere a NOx.


20

C. Exemplu de arzător cu NOx redus

Arzător cu trepte de aer şi recircularea unei cote de gaze de ardere (cu conŃinut de Oxigen mic şi care să aibă rolul de a răcii flacăra fără a mării aportul în Oxigen). Diferitele intrări de aer (comburant) trebuie să creeze straturi concentrice în raport cu axul flăcării.

Exemplu de arzător cu producŃie redusă de NOx - Arzător cu trepte de aer şi recircularea unei cote de gaze de ardere

Exemplul din figura de mai sus, care se referă la un arzător de cărbune praf, foloseşte 4 canale concentrice: • Canalul central pentru aerul primar. • Canalul inelar semicentral pentru aerul (gazele de ardere) de transport şi cărbunele praf. • Canalul inelar semiexterior pentru realizarea unei perdele de separare şi răcire din gaze de

ardere recirculate, cu conŃinut redus de Oxigen şi temperatură mică. • Canalul inelar exterior pentru aerul secundar. ConstrucŃia concretă a arzătoarelor uscate cu conŃinut redus de NOx trebuie adaptată la tipul combustibilului, sistemului de transport (pneumatic, antrenare cu gaze de ardere, aer) etc. Pentru păcură reducerea producŃiei de NOx se mai poate realiza şi prin folosirea sistemelor de pulverizare cu abur, sau prin pulverizarea amestecului păcură-apă. La temperatura ridicată din focar, vaporii de apă se combină cu C din coxul păcurii şi degajă gaze combustibile care determină apariŃia unei atmosfere reducătoare. C + H2O ⇒ CO + H2 Folosirea emulsiei apă-păcură are în plus un efect pozitiv prin vaporizarea bruscă a apei. � ConstrucŃia de arzătoare cu NOx redus, la ITG: DificultăŃile menŃinerii concentraŃiei de NOx în limite acceptabile la ITG moderne provin din faptul că:

- prin creşterea continuă a temperaturii în ciclu s-au atins şi chiar depăşit temperatura de formare a NOx termic;

- camera de ardere este nerăcită sau slab răcită; - încărcarea specifică în camera de ardere este foarte mare; - coeficientul de exces de aer este foarte mare.

Primele sisteme cu NOx redus la camerele de ardere la ITG (indiferent dacă ele utilizează combustibil gazos sau lichid) au fost de tip umed cu injecŃie de apă în nucleul flăcării. Dezvoltarea procedeelor uscate pentru cazanele energetice au condus la aplicarea oxidării în trepte şi la camerele de ardere ale ITG, în construcŃii de tip DLN (Dry Low NOx).

Aer de transport + cărbune praf

Perdea de separare; g.a. recirculate.

Aer secundar

Aer primar


21

� Gazeificarea combustibililor inferiori ca metodă de reducere a impactului CTE asupra mediului (măsură primară de reducere a noxelor de ardere) Gazeificarea este un proces fizico-chimic ce are loc la temperatură ridicată şi controlată într-un mediu substoechiometric d.p.d.v. al conŃinutului de oxigen şi bogat în vapori de apă. Scopul gazeificării este obŃinerea unui combustibil gazos pornind de la combustibilul greu. În urma gazeificării rezultă un amestec de gaze combustibile (CO, H2, CH4,) în care sulful se regăseşte sub forma de hidrogen sulfurat (H2S), acesta putând fi îndepărtat cu uşurinŃă.

Schema simplificată a instalaŃiei de gazeificare

Exemple de reacŃii:

C + 2

1O2 ⇒ CO

C + H2O ⇒ CO +H2 D.p.d.v. al schimburilor de energie cu exteriorul în cazul gazeificării apar atât reacŃii exoterme cât şi endoterme. Pentru anclanşarea reacŃiei este nevoie de aport de căldură din exterior, după care prin echilibrul dintre reacŃiile exoterme şi endoterme temperatura în reactorul de gazeificare poate ajunge la valoarea optimizată pentru proces. D.p.d.v. energetic: - orice reactor de gazeificare este caracterizat printr-un randament subunitar şi are pierderi de

tipul celor de la cazan: radiaŃie, convecŃie, nearse chimic; - în gazeificator se reŃin substanŃele provenite din partea anorganică a combustibilului; totuşi

există şi antrenări; - dintre substanŃele organice, majoritatea trec în gazul de gazogen;

D.p.d.v. al tipurilor de procese de gazeificare se pot face clasificări după: a) presiune: - sub presiune mare

- sub uşoară suprapresiune b) comburantul folosit: - aer

- oxigen c) procedeul folosit pentru a menŃine particulele de combustibil greu în fluxul de comburant şi apă: - pe grătar fix

- pe grătare mobile - în pat fluidizat - în stare pulverizată

Calitatea gazului de gazogen depinde de compoziŃia elementară a combustibilului şi de tipul procesului utilizat.

zgură şi cenuşă

abur (H2O)

Aer sau O2

gaz de gazogen

cărbune

gazogen InstalaŃii reŃinere noxe

gaz de gazogen curăŃat

noxe reŃinute


22

Principalele avantaje ecologice ale gazeificării sunt legate de: 1. posibilitatea folosirii gazului de gazogen în special când este produs la presiune mare în cadrul

unor tehnologii de conversie a energiei cu randamente bune, care reduc factorul de emisie pe unitatea de energie utilă, de exemplu: ciclul combinat gaze-abur oferă randamente mari, suficiente să compenseze pierderile reactorului de gazeificare.

2. simplificarea problemelor de reŃinere şi evacuare a produselor solide provenite din componentele anorganice (zgură şi cenuşă); aceasta se datorează unor tehnologii de gazeificare cu antrenare mică. Partea antrenată sub formă de cenuşă zburătoare în gazul de gazogen este mai uşor de reŃinut dintr-un debit mai mic (în raport cu cel al gazelor de ardere) şi volum specific mai mic (corespunzătoare presiunii de gazeificare mai înalte).

3. posibilitatea desulfurării mai eficiente şi mai ieftine în cazul gazului de gazogen decât în cazul gazelor de ardere (vezi observaŃia de mai sus).

Temperatura de producere a gazului de gazogen este ridicată; acest lucru face dificilă filtrarea şi desulfurarea. Pentru tratare gazul trebuie răcit până la temperaturi comparabile cu cele pe care le au gazele de ardere la capătul rece al cazanului. Aceasta se poate realiza prin bucle de răcire-reîncălzire, sau prin recuperarea căldurii din gazul de gazogen şi folosirea ei în ciclul cu abur. TendinŃa modernă de integrare a gazeificării în ciclul termodinamic oferă avantaje energetice şi ecologice deoarece:

- aburul folosit la gazeificare poate provenii din ciclul de conversie termodinamică; - căldura recuperată de la gazeificator se poate folosi în ciclul termodinamic; - impactul asupra mediului este mai mic decât la o centrală care arde direct cărbunele; - eficienŃa economică a gazeificării este influenŃată de calitatea combustibilului care se

gazeifică; aceasta limitează folosirea ligniŃilor româneşti.

Măsuri “secundare”, bazate pe tehnologii de reŃinere a noxelor de ardere.

Măsurile secundare se bazează pe reŃinerea noxelor din gazele de ardere înaintea evacuării lor în mediu. Ele sunt specifice fiecărei componente ce trebuie reŃinută, iar cerinŃele legate de modul de desfăşurare a procesului pot să aibă caracter contradictoriu. Acest ultim fapt influenŃează schema de circulaŃie a gazelor de ardere la capătul rece al cazanului. Filtrarea gazelor de ardere are ca scop reŃinerea cenuşii zburătoare. După principiul de lucru filtrele de cenuşă pot fi:

- mecanice - electrostatice (electrofiltrele).

azot

aer

abur

oxidant

gaz de gazogen

gaz de gazogen

gaz de gazogen

cărbune

preparare cărbune gazogen

instalaŃie de preparare a oxigenului

răcire gaz de gazogen

filtrare gaz de gazogen

ciclu combinat gaze-abur fără postcombustie

InstalaŃie de gazeificare

apă

abur


23

� Filtrarea mecanică “umedă” se bazează pe forŃele de adeziune şi se realizează trecând g.a. prin “perdele” de apă (şuviŃe sau picături) sau pe lână pereŃi uzi cu cergere în film. Necesită cantităŃi mari de apă. În energetică se foloseşte rar. Există soluŃii la care filtrarea pe alte principii se combină cu drenarea umedă. � Filtrarea mecanică “uscată” se poate realiza: A) în filtre “sac” sau B) în filtre centrifugale. A) Filtrele sac sunt realizate din Ńesături dese din material termorezistent având ochiurile mai mici decât particulele. Coeficientul de reŃinere al filtrelor sac este foarte bun, cea ce le face obligatorii în cazul unor substanŃe solide foarte periculoase. Principalele dezavantaje: - pierderea mare de presiune în procesul de filtrare trebuie compensată printr-o creştere

suplimentară de presiune în ventilatorul de gaze, mărind astfel consumul de energie al serviciilor proprii;

- înfundarea filtrului măreşte pierderea de presiune în cursul funcŃionării şi necesită curăŃare periodică;

- necesitatea prevederii unor filtre suplimentare aflate în curăŃire pe perioada în care celelalte asigură filtrarea.

Toate aceste dezavantaje limitează extinderea acestor filtre pe scară largă. Ca urmare, deşi filtrele sac au eficienŃă foarte bună de reŃinere, acestea se folosesc în special la separarea produselor cu nocivitate mare (de exemplu la reŃinerea noxelor solide de la incinerarea unor deşeuri organice radioactive).

B) Filtrele centrifugale (ciclon) au un corp cilindric cu ax vertical cu intrarea gazelor de ardere ce conŃin cenuşă zburătoare pe la partea superioară, pe direcŃie tangenŃială. În mişcarea turbionară cenuşa se centrifughează. La atingerea peretelui viteza particulelor scade şi cenuşa se colectează în pâlnia tronconică de la partea inferioară. Gazele de ardere se extrag central pe direcŃie verticală. Pentru a compara mărimea forŃei centrifuge cu cea a forŃei gravitaŃionale scriem tangenta unghiului dintre rezultantă şi verticală şi ajungem la un raport de acceleraŃii, denumit criteriul Froud, criteriu de similitudine care guvernează centrifugarea:

gR

w

nalagravitatioaacceletati

centripetaaacceletati

gR

w

gmR

wm

G

FFroud centrifuga

⋅===

⋅

⋅

==2

_

_

22

Creşterea criteriului Froud se poate realiza prin: • creşterea vitezei, soluŃie care intensifică depunerea, dar intensifică şi reantrenarea ⇒ existenŃa

unui optim al vitezei particulei pentru care eficienŃa de reŃinere este maximă. În plus, creşterea vitezei intensifică eroziunea şi măreşte pierderile de presiune.

• scăderea razei (filtre multicilon); şi în acest caz cresc eroziunile şi pierderile de presiune, în plus se majorează consumul de metal iniŃial (prin existenŃa mai multor filtre) şi consumul de metal pe durata de viaŃă a instalaŃiei (datorită creşterii eroziunii filtrele se schimbă des).

Filtrul ciclon reŃine bine particulele de dimensiuni mari, dar nu permite reŃinerea de particule foarte


24

mici. EficienŃa de reŃinere a cenuşii în filtrele ciclon este suficientă pentru cazane mici şi cel mult medii, dar pierderile de presiune pe partea de gaze de ardere sunt încă mari.

� Filtrarea electrostatică a gazelor de ardere este cea mai eficientă şi mai răspândită în energetică. Tensiunile de alimentare sunt de ordinul 30÷70 kV, iar intensitatea câmpului electric depăşeşte 100_kV/m şi trebuie menŃinută la limita "conturnării" prin descărcare în gaze, fără scurtcircuitarea sursei de c.c.23.

Filtrele electrostatice au corp prismatic cu circulaŃie orizontală a gazelor de ardere, prin mai multe “câmpuri” înseriate. Câmpul electric este realizat între electrozii: ♦ negativi, de ionizare, ce au forma unor

sârme sau benzi cu vârfuri (pentru amplificarea efectului Corona) şi

♦ pozitivi, de depunere (realizaŃi sub forma unor table verticale drepte sau profilate).

Particulele solide atrase de “table” se depun 24.

Drenarea se poate face: � uscat (prin scuturare); � umed (prin film de apă). Elementul adimensional care determină eficienŃa de reŃinere este raportul între timpul mediu de staŃionare a g.a. în E.F. şi timpul mediu de depunere a particulelor:

..

..

ag

depunere

depunere

ag

depunere

stationare

w

w

d

L

w

d

w

L

R ⋅===τ

ττ

Creşterea acestui raport se poate realiza prin: � mărirea lungimii filtrului: Lcâmp ∈ (4÷7) m; mărirea numărului de câmpuri: campcampuriEF LnL ⋅= ;

� scăderea distanŃei dintre electrozi: d ∈ (0,2÷ 0,3) m; � creşterea wdepunere: wdepunere ∈ (0,1÷ 0,2) m/s; � scăderea vitezei g.a.: wg.a. ∈ (1,5÷ 2,5) m/s. Obs.: Pentru a creşte wdepunere, sisteme moderne utilizează tensiuni de alimentare [kV] cât mai mari. Pentru a menŃine intensitatea câmpului electric [kV/m] la limita "conturnării", distanŃa dintre electrozi „d” [m] va creşte cu tensiunea şi deci cu wdepunere.

23 În acest scop EF moderne utilizează surse de c.c. pulsatoriu de frecvenŃă audio (mai mare decât frecvenŃa industrială), cu redresare prin dispozitive statice (tiristori), comandate pe fiecare semiperioadă în funcŃie de tendinŃa de evoluŃie a curentului în semiperioada anterioară. 24 Forma tablelor trebuie să evite reantrenarea (vezi “buzunarele” din dreptul electrozilor de ionizare).


25

EficienŃa de reŃinere (kreŃinere): ..11 ag

depunere

w

w

d

L

Rretinere eek

⋅−− −=−= τ

poate depăşi 99%. Principalul avantaj energetic şi economic este dat de pierderea de presiune foarte mică (mult mai mică ca la filtrele ciclon), fapt ce reduce consumul suplimentar de energie electrică al ventilatoarelor de gaze. EficienŃa electrofiltrului este foarte mare la particule de dimensiuni mici. Filtrarea electrostatică permite eficienŃe foarte ridicate şi încadrarea concentraŃiei de cenuşă zburătoare în cele mai severe norme ecologice. Măsuri secundare de reducere a emisiilor de NOx � Reducerea selectivă non-catalitică (SNCR – Selective non-catalytic reduction) SNCR este un procedeu de reducere a NOx la azot molecular, prin injecŃia unui reactiv într-o zonă cu temperatură mare a gazelor de ardere. Acest procedeu nu necesită prezenŃa unui catalizator. EficienŃa este de circa 40 ÷ 60 %. Reactivul utilizat este amoniacul (NH3) sau ureea ((NH2)2CO). Amoniacul poate fi anhidru (NH3), sau într-o soluŃie apoasă (NH4OH) (într-o concentraŃie de circa 20 ÷ 30 %). Folosirea ca reactiv a amoniacului anhidru, chiar dacă necesită instalaŃii de utilizare mai mici şi prin urmare mai ieftine, totuşi este mai periculos de stocat, de transportat şi de utilizat, decât ureea sau hidroxidul de amoniu NH4OH (<=> NH3 + H2O). Amoniacul reacŃionează cu NOx-ul din gazele de ardere, rezultând azot molecular şi apă: 2 NH3 + 2 NO + ½ O2 ⇒ 2 N2 + 3 H2O NO + NO2 + 2 NH3 ⇒ 2 N2 + 3 H2O În cazul utilizării ureei, relaŃia generală este următoarea: (NH2)2CO + 2 NO + ½ O2 ⇒ 2 N2 + CO2 + 2 H2O Pentru ca aceste reacŃii să aibă loc în bune condiŃii este necesar ca: � reactivul să fie injectat în gazele de ardere într-o plajă optimă de temperaturi, de circa

870 ÷ 1100 °C. Acest interval depinde de condiŃiile de operare şi de tipul de reactiv folosit. În cazul utilizării ureei, intervalul optim de temperaturi este de circa 980 ÷ 1100 °C, în timp ce în cazul utilizării amoniacului valorile temperaturilor din intervalul optim scad până la circa 870 ÷ 980 °C.

� durata de rezidenŃă al amoniacului în intervalul optim de temperaturi trebuie sa fie suficient de mare, comparabil cu cel necesar pentru vaporizarea reactivului.

� raportul molar între amoniac şi NOx să fie optimizat. Pentru o eficienŃă ridicată a procedeului, acesta poate ajunge la valori de circa 1,5 ÷ 2,5.

� injecŃia de reactiv să se facă Ńinând cont de faptul că distribuŃia de NOx variază în secŃiunea transversală a generatorului de abur.

În cazul neîncadrării temperaturii de reacŃie în intervalul optim, rata de conversie a NOx în N2 se reduce, astfel: • Dacă temperatura de reacŃie este prea mică, rezultă o creştere a cantităŃii de amoniac care nu

reacŃionează şi implicit o pierdere de reactiv. Scăpările de amoniac în mediu trebuie să fie cât mai reduse, deoarece acesta este nociv. Oricum, concentraŃia maxim admisă de amoniac este reglementată prin lege. De asemenea, la temperaturi joase (din zona preîncălzitorului de aer), amoniacul reacŃionează cu SO3 producând săruri de amoniu (sulfatul de amoniu (NH4)2SO4 şi/sau bisulfatul de amoniu NH4HSO4), care se depun pe suprafeŃele de schimb de căldură.


26

• Dacă temperatura de reacŃie este prea mare, are loc o descompunere termică a amoniacului. ReacŃia de oxidare, nedorită, duce la formarea de NO: 4 NH3 + 5 O2 ⇒ 4 NO + 6 H2O

Cu cât durata de rezidenŃă al amoniacului în intervalul optim de temperaturi este mai mare, cu atât rata de conversie a NOx creşte. Dacă timpul de rezidenŃă depăşeşte 1 s, atunci reacŃiile de reducere au loc în cele mai bune condiŃii. Totuşi, durata necesară de rezidenŃă se situează în intervalul 0,2 ÷ 0,5 s. Cu cât raportul molar între NH3 şi NOx este mai mare, cu atât creşte probabilitatea de reacŃie şi prin urmare şi rata de conversie a NOx. Totuşi, un raport molar prea ridicat măreşte de asemenea şi pierderile de amoniac. Pe de altă parte, dacă proporŃia molară între amoniac şi NOx este prea mică, eficienŃa procedeului scade, o cantitate mare de NOx neparticipând la reacŃii. În exploatare, la variaŃia încărcării sau a calităŃii combustibilului, se modifică atât distribuŃia de temperaturi în lungul generatorului de abur cât şi cantitatea de NOx. Prin urmare, intervalul optim de temperaturi se deplasează. Pentru a menŃine injecŃia de reactant în intervalul optim se poate adopta una din următoarele soluŃii: � Realizarea mai multor nivele de injecŃie de reactiv de-a lungul generatorului de abur (vezi figura

de mai jos). În acest mod, la reducerea sarcinii şi implicit a temperaturii gazelor de ardere în dreptul injectorului de reactiv în funcŃiune, acesta se va putea opri şi se va pune în funcŃiune nivelul de injecŃie inferior (mai apropiat de focar). De asemenea, la variaŃia cantităŃii de NOx se va modifica corespunzător debitul de reactiv, astfel încât raportul molar între reactiv şi NOx să rămână în intervalul optim. Această soluŃie este cea mai folosită. În general se folosesc 2 sau 3 nivele de injecŃie de reactiv. In sistemul de distribuŃie al reactivului (vezi figura), apa este folosită ca agent de diluŃie pentru a îmbunătăŃii amestecul între gazele de ardere şi reactiv, iar aerul ca agent motor. Atât presiunea apei, cât şi cea a aerului sunt reglate în timpul funcŃionării.

� Adăugarea anumitor aditivi (hidrocarburi, peroxid de hidrogen (H2O2), CO sau anumiŃi alcooli) permite funcŃionarea la temperaturi mai coborâte cu circa 100 ÷ 200 °C. Astfel, reacŃiile au loc în condiŃii optime şi la scăderea sarcinii. Dezavantajul îl reprezintă producŃia suplimentară de CO, rezultată din introducerea ca atare a acestuia ca aditiv sau din utilizarea în acelaşi scop a hidrocarburilor. Această soluŃie se aplică în special atunci când, din anumite motive, ce Ńin în special de construcŃia generatorului de abur sau de condiŃiile dificile de exploatare, nu se poate aplica prima soluŃie.

Generator de abur echipat cu SNCR cu mai multe puncte de injecŃie a reactivului

arzătoare

reglaj

apă

aer (sub presiune)

Reactiv


27

Injectoarele sunt de două tipuri: lance şi de perete. Cele de tip lance sunt lungi şi asigură injecŃia de reactiv in zona din centru a traseului de gaze de ardere, iar cele de perete sunt scurte şi asigură injecŃia în imediata vecinătate a peretelui generatorului de abur. Injectoarele de tip lance, având în vedere că se află pe traseul gazelor de ardere, trebuie răcite. Răcirea acestora se poate face cu abur, apă, aer sau glicol. Ambele tipuri de injectoare sunt plasate pe mecanisme retractabile. Acestea se retrag automat în cazul în care, în zona deservită de ele, temperatura gazelor de ardere scade sub cea din intervalul optim. În acelaşi timp sunt introduse în generatorul de abur injectoarele aflate pe nivelul din dreptul noii zone de optim de temperaturi. Procedeul SNCR se poate aplica, atât la centralele noi, cât mai ales la cele retehnologizate. De asemenea acesta se poate folosi în acelaşi timp cu alte metode de reducere a NOx. InvestiŃia este mică (nu există catalizator) şi se poate pune în aplicare într-un timp scurt. � Reducerea selectivă catalitică (SCR – Selective catalytic reduction) SCR este un procedeu de reducere a NOx la N2 şi H2O, prin injecŃia de reactiv în gazele de ardere, în prezenŃa unui catalizator. Agentul reducător (reactivul) este injectat în gazele de ardere înaintea catalizatorului. Ca şi în cazul SNCR, acesta poate fi amoniacul sau ureea. EficienŃa procedeului poate depăşi 80 ÷ 90 %. Reactivul cel mai folosit este amoniacul (NH3), însă, datorită prezenŃei catalizatorului, acesta se injectează în zone cu temperaturi mai mici ale gazelor de ardere, în comparaŃie cu cele cerute de procedeul SNCR (de asemenea, ca şi la SNCR, se poate folosi ureea). Amoniacul reacŃionează cu NOx-ul din gazele de ardere pe suprafaŃa catalizatorului, rezultând azot molecular şi apă: 2 NH3 + 2 NO + ½ O2 ⇒ 2 N2 + 3 H2O NO + NO2 + 2 NH3 ⇒ 2 N2 + 3 H2O Pentru ca aceste reacŃii să aibă loc în bune condiŃii este necesar ca: � reactivul să fie injectat în gazele de ardere într-o interval optim de temperaturi. Acest interval

depinde de tipul de catalizator dar şi de tipul de combustibil utilizat şi prin urmare de compoziŃia gazelor de ardere. Pentru o eficienŃă foarte bună, intervalul optim de temperaturi este de circa 320 ÷ 420 °C, la arderea combustibilului solid (în cazul gazului natural acest interval se reduce). Totuşi, dacă se acceptă eficienŃe mai mici ale procedeului, limita inferioară a intervalului poate să scadă. Astfel, pentru o temperatură minimă de 260 °C eficienŃa poate să scadă până la valori de circa 75 ÷ 80 %, la arderea combustibilului solid.

� agentul reducător (reactivul) să fie injectat la o distanŃă suficient de mare de catalizator, astfel încât să se realizeze un bun amestec între reactiv şi gazele de ardere.

� raportul molar între NH3 şi NOx să fie optimizat. Acesta trebuie să aibă o valoare în jur de 0,95, dar mai mică de 1,1.

La mărirea raportului molar între NH3 şi NOx: � scăpările de amoniac cresc practic exponenŃial, creşterea bruscă înregistrându-se la valori de

peste 0,95 a raportului molar; � eficienŃa procedeului creşte liniar până la valori ale raportului molar de circa 0,95 ÷ 1, dar se

aplatizează puternic peste acestea. În generatorul de abur, temperatura gazelor de ardere se află în interval optim înainte de preîncălzitorul de aer. Astfel, instalaŃia SCR se va amplasa între economizor şi preîncălzitorul de aer. La sarcini parŃiale, temperatura gazelor de ardere scade sub cea din intervalul optim. Pentru a menŃine ridicată eficienŃa procedeului, se realizează un canal de by-pass (ocolire) pe economizor. La scăderea temperaturii, o cotă din debitul de gaze de ardere este preluată de la intrarea în economizor şi introdusă la ieşirea din acesta (şi intrarea în SCR). Astfel, temperatura gazelor de ardere este menŃinută în intervalul optim în instalaŃia SCR.


28

Efectele negative asupra catalizatorului: • otrăvirea de către:

- cenuşa zburătoare (datorită prezenŃei metalelor alcaline: Ca, Na şi K, existente sub formă de CaO, Na2O şi K2O, în cenuşa zburătoare),

- As2O3 (trioxidul de Arsen / arsenic), - gazele de ardere acide (care conŃin: SO3, etc.);

• colmatarea canalelor catalizatorului cu cenuşă zburătoare; • eroziunea cu cenuşă zburătoare. Prin urmare, durata de viaŃă şi performanŃele catalizatorului depind în mod direct de concentraŃia de cenuşă din gazele de ardere şi de compoziŃia acesteia. Metode de diminuare a efectelor negative asupra catalizatorului: • după o anumită perioadă de timp catalizatorul trebuie înlocuit (sau regenerat), deoarece

otrăvirea acestuia duce la dezactivare; • utilizarea de suflante cu abur (şi/sau generatoare acustice) pentru îndepărtarea cenuşii depuse pe

catalizator (în special la viteze reduse ale gazelor de ardere şi concentraŃii mari de cenuşă zburătoare);

• realizarea unui strat protector pe muchiile catalizatorului, pentru a reduce efectele eroziunii cu cenuşă zburătoare.

PrezenŃa catalizatorului creşte rata de oxidare a SO2 în SO3. Amoniacul reacŃionează cu SO3 producând săruri de amoniu, care se pot depune pe suprafeŃele de schimb de căldură din aval de catalizator, sau chiar pe acesta. PrezenŃa CaO în cenuşa zburătoare poate dezactiva catalizatorul, dacă reacŃionează cu SO3 şi formează CaSO4: CaO + SO3 ⇒ CaSO4 Chiar dacă CaO este prins în porii de pe suprafaŃa catalizatorului, NH3 şi NOx pot reacŃiona, dar dacă gazele de ardere conŃin SO3, în urma formării de CaSO4, porii sunt astupaŃii în întregime şi NH3 şi NOx nu mai pot reacŃiona. Din punct de vedere al formei geometrice, catalizatorii utilizaŃi în CTE sunt în general de tip fagure sau placă. Cei de tip fagure au pierderi mai mari de presiune, dar prezintă o activitate catalitică mai bună în comparaŃie cu cei de tip placă. Catalizatorii de tip placă sunt de preferat în mediu cu o cantitate mare de praf, de exemplu atunci când instalaŃia SCR este amplasată înainte de filtrul de pulberi, iar gazele de ardere conŃin o concentraŃie mare de cenuşă.

a) b)

Catalizatori de tip a) fagure şi b) placă Structura catalizatorului SCR de tip fagure


29

Catalizatorii cei mai folosiŃi în CTE pe cărbune sunt ceramici. Aceştia sunt realizaŃi din oxizi de metale grele, pe bază de dioxid de Titan (TiO2), iar ca substanŃă activă se foloseşte, în principal, pentaoxidul de Vanadiu (V2O5), rezultând catalizator cu compoziŃia: V2O5/TiO2. Pentru a mării plaja optimă de temperaturi, V2O5 se foloseşte împreună cu trioxidul de Tungsten (WO3). Astfel catalizatorul va avea următoarea compoziŃie de bază: V2O5•WO3/TiO2 (prescurtat: TiO2-V-W sau V-W/Ti). Pentru a rezista cât mai bine catalizatorul la acŃiunea As2O3 (trioxidul de Arsen), în loc WO3 se poate folosi trioxidul de Molibden (MoO3), rezultând V2O5•MoO3/TiO2. Catalizatorii pe bază de metale grele pot fi folosiŃi în zone cu temperaturi ale gazelor de ardere de valori medii, în general cuprinse între 260 ÷ 420 °C. La temperaturi mari, de circa 340 ÷ 590 °C, se pot folosi şi catalizatori pe bază de zeoliŃi. De asemenea, se mai pot utiliza şi alte compoziŃii pentru catalizatori.

InstalaŃia SCR se poate amplasa: � înainte de filtrul de pulberi (electrofiltru) şi de preîncălzitorul de aer → SCR în mediu cu

conŃinut ridicat de particule („SCR-High-Dust”) � după filtrul de pulberi şi

� înainte de preîncălzitorul de aer → SCR în mediu cu conŃinut scăzut de particule („SCR-Low-Dust”)

� după preîncălzitorul de aer → SCR ca sistem final de reŃinere noxe („SCR-Tail-End”), de asemenea în mediu cu conŃinut scăzut de particule.

Cel mai folosit mod de amplasare al catalizatorului este: SCR-High-Dust. Dezavantajul acestui sistem este dat de expunerea directă la cenuşa din gazele de ardere. De asemenea concentraŃia de amoniac în cenuşă este mare, făcând-o dificil de valorificat (acolo unde se doreşte acest lucru). Se impun măsuri de limitare a efectelor negative date de prezenŃa cenuşii în gazele de ardere, cum ar fi: - folosirea unui cărbune cu un conŃinut scăzut de anorganic; - utilizarea de suflante cu abur pentru îndepărtarea cenuşii depuse pe catalizator; - amplasarea verticală a catalizatorului, astfel încât particulele de praf să „cadă” gravitaŃional; - mărirea spaŃiului între plăcile catalizatorului (concomitent cu mărirea corespunzătoare a

lungimii acestora), în cazul utilizării catalizatorilor de tip placă, în funcŃie de mărimea particulelor de praf; etc..

SCR în mediu cu conŃinut ridicat de particule („SCR-High-Dust”)

În figura de mai sus se prezintă o schemă de amplasare a SCR în mediu cu conŃinut ridicat de particule („SCR-High-Dust”). Amoniacul lichid se vaporizează prin aport extern de căldură în „Evaporator NH3”, utilizând ca agent de încălzire apa fierbinte sau aburul, care cedează căldura prin intermediul unui schimbător de căldură de suprafaŃă. Vaporii de amoniac se diluează cu aer, iar apoi

SCR

PAR

Ventil de reglare

aer

VA

ECO

SV

By-pass ECO By-pass SCR

Evaporator NH3

Aer de diluŃie

Rezervor NH3 lichid

Focar

Electrofiltru

VG

Cameră de amestec

SÎ/SÎI

căldură


30

amestecul (format în „Camera de amestec”) este injectat înainte de catalizatorul SCR. ConcentraŃia de NH3 în aerul de diluŃie trebuie să fie de sub 15 %, având în vedere că peste această valoare (în intervalul 15 ÷ 27 %) amestecul este exploziv. Între locul de injecŃie şi catalizator există un sistem de amestec, pentru a realiza omogenizarea între amoniac şi gazele de ardere. În schema de mai sus este figurate atât ocolirea (by-pass) economizorului, pentru reglarea temperaturii gazelor de ardere la intrarea în SCR, cât şi ocolirea SCR (opŃională), folosită la pornire şi la funcŃionarea în regimuri nerecomandate pentru catalizator. Sistemul „SCR-Low-Dust” se utilizează pentru a feri catalizatorul de eroziune şi colmatare. Dezavantajul utilizării acestui tip de amplasament este dat de necesitatea utilizării unui electofiltru de înaltă temperatură, cu circa 50 % mai scump decât cel obişnuit. Acesta se va amplasa amonte de de-NOx–ator. Preîncălzitorul de aer regenerativ (PAR) se va monta după dispozitivul de reducere a NOx, iar ultimul aparat de curăŃare a gazelor de ardere va fi desulfuratorul (scruberul).

SCR în mediu cu conŃinut scăzut de particule („SCR-Low-Dust”)

Sistemul „SCR-Tail-End” se utilizează în special la retehnologizarea CET, atunci când nu există suficient de mult spaŃiu între generatorul de abur şi preîncălzitorul de aer pentru aplicarea sistemului „SCR-High-Dust”, sau dacă acesta din urmă necesită o investiŃie prea mare. Oricum, sistemul „SCR-High-Dust” este mult mai ieftin de implementat dacă se utilizează din faza de proiect a centralei, decât dacă se foloseşte la retehnologizare. Dezavantajul sistemului „SCR-Tail-End” este dat de faptul că, datorită amplasării acestuia în zona de temperaturi mici a gazelor de ardere (înainte de evacuarea la coş), acestea trebuiesc reîncălzite, pentru a le aduce în intervalul de temperaturi cerut de catalizator. Încălzirea gazelor de ardere se poate face cu ajutorul aburului din ciclul termodinamic şi/sau prin arderea unui combustibil curat (gaz natural). Pentru a se recupera o parte din căldura primită de la „încălzitorul de gaze de ardere” se introduce în circuit un „preîncălzitor gaz-gaz”. Astfel, creşterea de temperatură dată de „încălzitorul de gaze de ardere” va fi comparabilă cu diferenŃa de temperatură între gazele din „preîncălzitorul gaz-gaz, adică aproximativ 30 °C.

SCR ca sistem final de reŃinere noxe („SCR-Tail-End”)

aer rece

spre desulfurator

de la economizor

PAR 350 °C

160 °C

aer cald

catalizator

injecŃie amoniac EF

SCR

NH3

coş De la EF şi desulfurator

căldură

SCR

Preîncălzitor gaz-gaz

Încălzitor gaze de ardere


31

În absenŃa SO3 în gazele de ardere, la arderea în generatorul de abur a gazului natural, intervalul de temperaturi de operare pentru SCR poate să scadă până la 205 ÷ 400 °C, iar catalizatorul poate fi realizat din cărbune activ. Este de menŃionat faptul că scăpările de amoniac în cadrul sistemului SCR sunt mai mici de 10 ppmv, faŃă de 15 ÷ 27 ppmv întâlnite la aplicarea procedeului SNCR. Datorită costurilor mari ale procedeului SCR, acesta se aplică numai dacă măsurile primare de reducere a NOx, sau aplicarea procedeului SNCR, nu pot încadra centrala în normele de mediu. Măsuri secundare de reducere a emisiilor de SO2 - desulfurarea gazelor de ardere înainte de evacuarea la coş � Desulfurarea “semiumedă” În cadrul acestui procedeu se pulverizează un agent de absorbŃie a SO2 în gazele de ardere. Acesta poate fi un compus al Calciului (varul stins - Ca(OH)2) sau al Sodiului (bicarbonat de sodiu - NaHCO3). Chiar dacă compuşii Sodiului oferă o reactivitate mai bună decât cei ai Calciului, totuşi, preŃul ridicat îi dezavantajează foarte mult. Astfel, în majoritatea cazurilor, se preferă compuşi ai Calciului. Dintre compuşii Calcarului, în cadrul desulfurării semiuscate, hidroxidul de Calciu (varul stins) se preferă în locul calcarului (CaCO3) datorită reactivităŃii mai mari, chiar dacă este mai scump. Umidificarea Ca(OH)2 creşte şi mai mult reactivitatea acestuia. Astfel, varul stins se injectează în gazele de ardere împreună cu apa. Pentru a creşte probabilitatea de reacŃie a Ca(OH)2

cu SO2 şi prin urmare eficienŃa procedeului, suspensia de var este pulverizată într-o dispersie extrem de fină. Cu cât pierderea de presiune pe pulverizator este mai mare, cu atât picăturile formate sunt mai mici şi dispersia mai bună. Este de menŃionat faptul că, în cazul folosirii bicarbonatului de sodiu, acesta se intoduce ca atare (neumidificat) în gazele de ardere, datorită reactivităŃii ridicate. Temperatura gazelor de ardere trebuie să fie într-un interval optim de circa 150 ÷ 170 °C. Apa din suspensia de var vaporizează datorită temperaturii relativ ridicate a gazelor de ardere, iar cea care rămâne pe suspensia solidă de reactiv îmbunătăŃeşte reactivitatea acestuia. Produşii de reacŃie sunt sub formă de pulberi uscate. Aceştia trebuie reŃinuŃi, prin urmare este necesară utilizarea unui filtru aval de absorber. Filtru de pulberi poate fi de tip: filtru sac sau electrofiltru. Se poate folosi un filtru de pulberi şi amonte de absorber. De asemenea, se poate opta pentru recircularea parŃială a pulberilor captate în filtru (vezi figura de mai jos), deoarece acestea conŃin reactiv neutilizat.

Schema unei instalaŃii de desulfurare semiumedă


32

EficienŃa procedeului este de circa 70 ÷ 90 %, prin urmare este mai mare faŃă de cea a procedeului uscat (pentru aceeaşi cantitate de reactiv), dar mai mică faŃă de cea a procedeului umed. Folosirea procedeului semiumed implică costuri de investiŃie mai mari faŃă de procedeul uscat, dar mai mici în comparaŃie cu procedeul umed. Procedeul semiumed ocupă locul al doilea, din punct de vedere al răspândirii pe plan mondial, după cel umed. După desulfurare, gazele de ardere nu trebuiesc reîncălzite, aşa cum se întâmplă, în general, în cazul procedeului umed. Totuşi, unul din dezavantajele procedeului semiumed faŃă de cel umed este dat de faptul că produşii de reacŃie sunt greu de valorificat. � Desulfurarea “umedă” cu scrubere Procedeul cel mai folosit pentru eliminarea SO2 din gazele de ardere este cel de desulfurare umedă în scrubere. EficienŃa procedeului poate atinge valori de circa 90 ÷ 95 %. Reactivul folosit poate fi calcarul (CaCO3), sau varul nestins (CaO) şi apoi stins (Ca(OH)2). Desulfurarea umedă se bazează pe o reacŃie de reŃinere a SO2 în compuşi solizi nontoxici. "Istoric", primele scrubere au fost cele cu "lapte de var", obŃinut din calcar (CaCO3) prin şirul de reacŃii: CaCO3 ⇒ CaO + CO2 (arderea calcarului şi obŃinerea "varului nestins") CaO + H2O ⇒ Ca(OH)2 ("stingerea varului" şi producerea hidroxidului de Calciu). În scruber are loc în acest caz reacŃia: Ca(OH)2 + SO2 ⇒ CaSO3 + H2O. Din punct de vedere al circulaŃiei relative a agenŃilor, având în vedere că soluŃia de reactiv curge gravitaŃional, se pot realiza două tipuri de scrubere: � în curent încrucişat, cu circulaŃie orizontală a g.a.; � în contracurent, cu circulaŃie verticală ascendentă a g.a. (acestea ocupă suprafeŃe mici de teren). Pentru creşterea suprafeŃei de contact dintre faza lichidă şi cea gazoasă se pot folosi procedee asemănătoare cu cele de la degazoare şi turnuri de răcire: - pulverizare fină (fără alte sisteme ajutătoare); - prelingerea fazei lichide sub formă peliculară pe diverse tipuri de umplutură (table, sisteme

buretoase, site); - picurare (curgere în şuviŃe); - sisteme mixte bazate pe cel puŃin două din procedeele anterioare. Pentru creşterea eficienŃei de reŃinere a SO2 şi a SO3 (Ca(OH)2+SO3⇒CaSO4+H2O) în scrubere se recomandă: ♦ Mărirea suprafeŃei de contact între soluŃie şi g.a. ♦ Creşterea concentraŃiei soluŃiei, peste necesarul din reacŃia stoechiometrică. ♦ Asigurarea în scruber a unei temperaturi optime de reacŃie. ConcentraŃia reactivilor în mediul apos este condiŃionată de următoarele aspecte: - creşterea concentraŃiei măreşte viteza de reacŃie dar reduce solubilitatea; - după reacŃie, apa reŃine în soluŃie atât reactivi neconsumaŃi, cât şi produşi de reacŃie. Alegerea concentraŃiei se face pe echilibrul dictat de diferenŃa de solubilitate între Ca(OH)2 şi gips. Gipsul, mai puŃin solubil, se depune.


33

SchiŃa instalaŃiei de desulfurare umedă a gazelor de ardere CondiŃiile pentru buna desfăşurare a desulfurării umede cu var stins sunt legate de: - o temperatură a reactivului care să nu depăşească 60÷70 °C şi o temperatură a g.a. care să nu

depăşească 100 °C (o temperatură redusă a g.a. la evacuarea la coş are efecte negative asupra dispersiei, ca urmare ele trebuie reîncălzite). Asigurarea temperaturii optime de reacŃie, fără a coborî prea mult temperatura la coş, se face cu o buclă de răcire-reîncălzire folosind apă sub presiune vehiculată cu o pompă.

- realizarea unei suprafeŃe cât mai mari de schimb de masă între picăturile de reactiv şi g.a. (sistemul cel mai folosit în prezent este cel cu pulverizarea reactivului în picături mici la partea superioară a desulfuratorului);

- realizarea unui timp de staŃionare suficient pentru a asigura o bună reŃinere (la fel ca la electrofiltru această condiŃie se îndeplineşte prin creşterea secŃiunii de trecere, lungimea parcursului g.a. în desulfurator);

- g.a. să fie în prealabil bine filtrate de cenuşa zburătoare pentru a reŃine particulele şi a nu impurifica reactivii din scruber. Aceasta obligă la montarea desulfuratorului după electrofiltru.

Încadrarea scruberului în traseul de evacuare a gazelor de ardere se face după PAR (Preîncălzitor de Aer de tip Regenerativ sau recuperativ) şi electrofiltru. În scrubere au loc pe lângă reacŃia chimică de reŃinere a SO2, şi procese fizice de încălzire a reactivului, răcire a g.a. şi de umidificare a lor cu vapori de apă. Reactivul colectat în cuvă trebuie răcit şi tratat pentru reŃinerea gipsului, apoi se completează cu apă şi reactiv proaspăt.

Exemplu de integrarea a unui desulfurator tunel în circuitul de g.a. la evacuate: Pentru a evita colmatarea cu cenuşă, scruberul trebuie amplasat după electro-filtru. În exemplul prezentat s-a prevăzut o buclă termică de răcire-reîncălzire a g.a. care preia căldura în amonte de scruber şi o redă în aval de acesta. Fluidul poate fi apă sub presiune, iar suprafaŃa de transfer de căldură pe parte de g.a. este prevăzută cu aripioare. Coeficientul de transfer de căldură fiind mic şi ecartul de temperatură mic, sistemul necesită suprafeŃe foarte mari de transfer de căldură.

160 °°°°C 90 °°°°C 60 °°°°C 120 °°°°C de la PAR

la VG şi coş

InstalaŃie de desulfurare

umedă a g.a.

calcar + apă

(CaCO3+ H2O)

g.a. cu SO2

aer (O2)

g.a. curate

gips

(CaSO4 ⋅ 2 H2O)

apă reziduală


34

cenuşă fină

aer

aer

aer

Circuitul de reactiv trebuie să fie prevăzut cu o serie de anexe ca: - răcitor de reactiv pentru menŃinerea temperaturii în zona optimă; - sistemul de dozaj de reactiv proaspăt care să menŃină concentraŃia şi să suplinească pierderile de

apă prin vaporizare; - sistemul de decantare a gipsului.

Alte variante de realizarea a desulfurării umede mai sunt: cu scruber de tip turn şi circulaŃie în contracurent; cu reactiv de tip calcar măcinat fin şi menŃinut în suspensie la o concentraŃie mult mai mare decât cea de solubilitate; cu perdele de apă cu umplutură sau cu picurare în şuviŃe.

D.p.d.v. al investiŃiilor desulfurarea umedă rezolvă problema încadrării de SO2 în g.a. în limitele admisibile chiar la utilizarea unor combustibili sulfuroşi dar măreşte foarte mult investiŃiile în centrală. Pentru centrale existente care nu au fost prevăzute la proiectare cu scrubere, costurile pot fi cu circa 65 % mai mari decât la realizarea aceloraşi scrubere în centrale noi.

Pentru reducerea cheltuielilor cu reactivul scruberele moderne folosesc direct calcarul. Solubilitatea şi reactivitatea lui sunt mai mici, iar procesul de formare a gipsului este incomplet. Apare necesitatea: � unei suspensii în apă de calcar fin măcinat, peste necesarul stoechiometric şi limita de

solubilitate; � barbotării de aer în cuva scruberului pentru a contribui prin Oxigen la formarea gipsului. � unor instalaŃii speciale de reŃinere a gipsului din reactivul din cuvă. Măsuri “terŃiare” de reducere a efectelor noxelor solide de ardere � Evacuarea “uscată” a zgurii şi cenuşii: se foloseşte în amplasamente secetoase, sau când se

doreşte reutilizarea cenuşii, iar umidificarea ei împiedică valorificarea eficientă (de exemplu: ca materie primă în fabricile de ciment). Pentru utilizare se poate face sortare granulometrică (de exemplu preluând materialul numai dintr-un anumit sistem de reŃinere).

Evacuarea “uscată” a zgurii şi cenuşii: o este procedeul cel mai costisitor d.p.d.v. al investiŃiilor şi cu cel mai mare consum de

servicii proprii electrice; o prezintă pericolul de reantrenare la vânt o se aplică în amplasamente foarte secetoase sau în situaŃii legate de reutilizarea ei.

Sistemele de transport uscate pot fi: � cu benzi (tubulare) rulante → pericol de reantrenare; � cu sisteme de tip schneck (şurubul lui Arhimede, spirală) pe distanŃe scurte şi diferenŃe mari

de nivel; � pneumatic, cu aer comprimat, prin realizarea unor suspensii de cenuşă zburătoare în

conducte de amestec bifazic; viteza de circulaŃie trebuie să fie suficient de mare pentru a nu apare depunerea, dar este limitată de eroziunea la care sunt supuse conductele;

� transport în pat fluidizat pe site alimentate de la partea inferioară cu aer.

Sistem de tip schneck Transport în pat fluidizat


35

Sistemele pneumatice şi în pat fluidizat au consumuri mari de energie pentru vehicularea aerului. Costul majorat se poate justifica dacă cenuşa este “vandabilă”. Datorită costurilor mari şi posibilităŃii de reutilizare, majoritatea sistemelor uscate sunt dimensionate pentru o cotă din cenuşă corespunzătoare fluxului care poate fi vândut ($/t) către un utilizator. Pentru cenuşa nevalorificabilă se adoptă soluŃia stocării pe întreaga durată de viaŃă a centralei şi se preferă sisteme de evacuare umedă sub formă de noroi cu costuri mai mici, consumuri mai mici de energie electrică, investiŃii mai mici. � Evacuarea “umedă” a zgurii şi cenuşii, reduce investiŃia, consumul de energie pentru evacuare şi costurile de exploatare faŃă de evacuarea „uscată”.

Aceasta este soluŃia cea mai folosită în România. Totuşi, datorită consumului mare de apă şi noilor reglementări europene, evacuarea “umedă” a zgurii şi cenuşii se va înlocui cu evacuarea sub formă de şlam dens. Pentru a respecta noile reglementări europene, centralele electrice din Ńară au fost nevoite să înlocuită soluŃiile de evacuare „umedă” cu cele de evacuare sub formă de şlam dens, până în anul 2011. Evacuarea în şlam dens presupune ca valoarea raportului între debitul de apă şi cel de zgură şi cenuşă să fie de maxim 1. Evacuarea “umedă” a zgurii şi cenuşii se bazează pe formarea unui amestec bifazic “noroi” având 6÷18 părŃi apă la 1 parte cenuşă uscată; acest noroi poate fi mai uşor vehiculat, transportat şi trimis la depozit. Curgerea noroiului în centrală se face prin canale înclinate, cu pantă aleasă astfel încât să se evite colmatarea, până la un bazin subteran. De la acesta antrenarea noroiului se poate face:

a) cu ejector cu apă; b) cu pompă de noroi (Bagger).

Sistemul a) cu ejector măreşte consumul de apă. Astfel, dacă la noroiul primar se acceptă participaŃii de 6÷9 kg apă pe 1 kg cenuşă uscată, în cazul sistemului a) trebuie să adăugam o cantitate de apă curată (antrenată cu pompa de apă curată) comparabilă sau chiar mai mare faŃă de cea existentă în noroiul primar. Creşterea de presiune în pompa de apă curată este mult mai mare decât pierderile de presiune pe traseu, deoarece aceasta trebuie să antreneze prin şoc noroiul primar din camera de amestec a ejectorului. În cazul funcŃionarii cu ejector de apă apar şi dezavantaje: → consum de energie mai mare de pompare (pompa vehiculează un debit de apă comparabil cu cel

existent deja în nămolul primar, dar trebuie să acopere o pierdere de presiune de circa două ori mai mare faŃă de cazul preluării noroiului primar cu pompa de noroi - pierderea de presiune rezultată în urma antrenării prin şoc a noroiul primar este comparabilă cu cea de pe traseu).

→ diametre mari ale conductelor de noroi (debit de apă de circa două ori mai mare faŃă de cazul preluării noroiului primar cu pompa de noroi) → creşte consumul de metal al conductelor.

Principalele avantaje ale ejectorului sunt:

- lipsă piese în mişcare; - cost redus; - posibilitatea de înlocuire în timp scurt, urmată de repararea acestuia; - faptul că pompa lucrează cu apă curată reduce eroziunile şi creşte siguranŃa în funcŃionare; - sistemul nu necesită rezervări prea mari şi este mult mai sigur.

b) Pompele de noroi (Bagger) pot vehicula un amestec de 6÷10 părŃi apă la 1 parte masică de substanŃă uscată (cenuşă uscată), comparabil cu cel aflat în bazinul de colectare noroi. Consumul de apă pentru evacuarea umedă este deci mai scăzut decât la schema cu ejector. Deoarece creşterea de presiune este mai mică decât la pompa cu apă curată din ejector (iar debitul masic este comparabil), se ajunge la un consum de energie electrică pentru evacuare mai mic (deşi randamentul propriu-zis al pompei Bagger este mai scăzut decât la o pompă cu apă curată). D.p.d.v. constructiv pompele Bugger sunt centrifugale (lente), dar spre deosebire de pompele de apă curată au profile groase care să poată să reziste la eroziune.


36

Principalul dezavantaj: fiabilitatea şi disponibilitatea pompelor Bugger este scăzută. Datorită timpului mare de reparare sistemele trebuiesc prevăzute cu rezervare integrală (2 x 120 % sau 4 x 60 %). La creşteri mari de presiune trebuie să se înserieze 2 trepte de pompare distincte (pentru a nu ajunge la pompe multietajate).

Conductele de noroi trebuie să fie realizate cu pereŃi groşi, trase cât mai drepte sau cu raze de curbură mari şi număr de armături cât mai mici. În multe scheme se renunŃă la colectoarele de refulare şi se pune câte o conductă de noroi pentru fiecare pompă Bagger. Pentru a uşura schimbarea unei porŃiuni defecte se practică uzual asamblarea prin flanşe. Aceasta permite rotirea periodică a tronsoanelor drepte (cu circa 120º) la intervale de timp uşor mai mici decât cele de erodare a peretelui inferior. Măsuri “terŃiare” de dispersie a noxelor gazoase şi a cenuşii zburătoare în atmosferă � ConstrucŃia de coşuri de fum înalte. Coşul de fum este un canal vertical, etanş, care trebuie să fie izolat termic, să reziste la greutate proprie, la intemperii (vânt) şi la cutremure, să fie protejat anticoroziv şi antieroziv la interior. FuncŃie sa este să conducă gazele de ardere la o înălŃime mare, pentru a îmbunătăŃi dispersia noxelor. � Folosirea unui coş comun pentru turnuri de răcire (TR) umede şi pentru evacuarea gazelor de

ardere

SoluŃia este posibilă numai la CTE la care gazele de ardere sunt suficient de curate. În caz contrar: ♦ SO2 şi NOX din g.a. se combină cu vaporii de apă încă din panaşul TR; ♦ cenuşa zburătoare formează nuclee de coagulare/condensare cu apa din aerul umed, mărind

nebulozitatea şi intensificând depunerea în vecinătatea centralei (respectiv poluarea locală).

Schema se poate folosi la CTE: • pe gaz natural, dacă au deNOx – are sau arzătoare cu NOx redus; • pe păcură, cu deNOx – are sau arzătoare cu NOx redus şi desulfurare a g.a.; • pe cărbune, cu arzătoare cu NOx redus, desulfurare şi filtrare avansată a cenuşii zburătoare din

g.a.

SoluŃia se bazează pe introducerea g.a. în coşul de tiraj al T.R., deasupra zonei de răcire a apei. Interesul tehnico-economic pentru aceasta provine din: ♦ reducerea investiŃiei la CTE noi (o construcŃie unică, jucând simultan rolul de coş de evacuare a

g.a. şi a aerului umed de la TR, este mai ieftină decât două construcŃii separate: un coş de fum şi un TR);

♦ intensificarea tirajului la coşul turnului şi îmbunătăŃirea răcirii.

Bazin noroi

Pompă apă curată noroi primar

noroi secundar

b)

a)


37

Coş TR CombinaŃia coş - TR

Dimensional, această construcŃie unică are: − înălŃime mai redusă decât cea mai înaltă (coşul de fum), dar mai mare decât cea mai scundă (TR); − diametru mai mic decât la TR şi mai mare decât la coşul de fum.

D.p.d.v. ecologic soluŃia reduce efectele negative ale răcirii “umede” în circuit închis sau mixt, deoarece, prin aportul de căldură al g.a.: A) contribuie la vaporizarea picăturilor de apă antrenate în aerul de la partea superioară a TR B) conduce la reducerea umidităŃii relative a aerului evacuat C) măreşte înălŃimea de ridicare a panaşului deasupra T.R. � Exemple de circuite de g.a. echipate cu instalaŃii de reducere a poluanŃilor atmosferici.

În figurile următoare sunt prezentate două exemple de circuite de gaze de ardere echipate cu instalaŃii de reducere a poluanŃilor atmosferici, cu amplasarea SCR înainte de electrofiltru.

Circuit de gaze de ardere cu evacuare în atmosferă prin intermediul coşului de fum

Circuit de gaze de ardere cu evacuare în atmosferă prin intermediul turnului de răcire

gaze

aer

Aer de combustie Gaze de ardere

SCR

Ventilator de gaze de ardere

Electrofiltru

Desulfurare umedă

Schimbător de căldură recuperativ

Coş de fum

300 ºC 380 ºC

95 ºC

50 ºC

85 ºC

130 ºC

120 ºC

Ventilator de aer

Preîncălzitor de aer recuperativ

40 ºC

Desulfurare umedă

Turn de răcire

Recuperator de căldură

Răcitor gaze de ardere

85 ºC 130 ºC

Aer de combustie Gaze de ardere

SCR

Ventilator de gaze de ardere

Electrofiltru

300 ºC 380 ºC

50 ºC

120 ºC

Ventilator de aer

Preîncălzitor de aer recuperativ

40 ºC

FAIMA - Impactul Energiei Asupra Mediului

Documents

Transcript of FAIMA - Impactul Energiei Asupra Mediului