5. REDUCEREA POLURII ATMOSFERICE N CCA

5.1 Poluani rezultai n urma arderii combustibililor fosili

5.1.1 Categorii de poluani

n Tabelul 5.1 sunt prezentai principalii poluani atmosferici rezultai din arderea combustibililor fosili. Dintre acetia, n cazul CCA cei mai importani poluani sunt oxizii de sulf, oxizii de azot i pulberile, ei urmnd a fi tratai pe larg n paragrafele urmtoare. Exist norme care prevd limitele maxime admisibile pentru concentraiile acestor trei poluani n gazele de ardere evacuate n atmosfer. n Anexa A se face o scurt trecere n revist a acestor limite.

Tabelul 5.1 Poluani rezultai din arderea combustibililor fosili Poluant Efecte

Oxizi de sulf (SO2, SO3) Duneaz direct organismului uman. Acioneaz asupra florei i faunei. Determin formarea ploilor acide.

Oxizi de azot (NO, NO2) Duneaz direct organismului uman. Determin formarea ploilor acide.

Pulberi (cenua zburtoare) Iritaii ale mucoaselor oculare i cele ale cilor respiratorii.

Dioxidul de carbon (CO2) Contribuie la efectul de ser. Protoxidul de azot (N2O) Contribuie la efectul de ser.

Favorizeaz distrugerea pturii protectoare de ozon din stratosfer.

Monoxidul de carbon (CO) Efecte toxice asupra regnului animal. Clorul; fluorul (Cl, F) Formare de acizi (HCl, HF) cu efecte toxice.

Fluorul contribuie la distrugerea stratului de ozon.

Aerosoli toxici Efecte toxice i cancerigene. Metale grele (Cr, Ni, Cd, As, Pb, etc.) Efecte toxice i cancerigene.

Capitolul 5 90

5.1.2 Dioxidul de carbon CO2

Dioxidul de carbon reprezint unul din principalii poluani rezultai n urma arderii combustibililor fosili. Din punct de vedere al concentraiei n atmosfer se manifest o accentuat cretere n ultimii dou sute de ani: de la aproximativ 285 ppm n anul 1800, la 300 350 ppm n zilele noastre.

Principalul efect negativ al CO2 este legat de absorbia radiaiilor IR emise de pmnt i accentuarea efectului de ser, cu toate efectele sale negative (schimbri ale zonelor climaterice, topire a calotelor polare, ridicare a nivelului mrilor i oceanelor).

Dintre msurile de reducere a emisiei de CO2 se amintesc: Creterea eficienei de conversie a energiei primare din combustibilii

fosili. Utilizarea unor combustibili cu coninut sczut de carbon. Din Figura

5.1 se poate constata c din acest punct de vedere gazul natural este avantajat.

nlocuirea combustibililor fosili cu alte forme de energie primar (ex. combustibili nucleari, surse regenerabile, etc.).

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/kW

ht

Fig. 5.1 Emisia de CO2 pentru 1 kWht rezultat din arderea combustibilului

Capitolul 5 91

5.1.3 Protoxidul de carbon N2O

Experimental s-a dovedit c N2O reprezint o emisie secundar, nedorit, rezultat n urma aplicrii tehnicilor de reducere a concentraiei de NOX din gazele de ardere. Pn la temperaturi de 600 C, protoxidul de azot este un gaz stabil, dup aceast valoare el descompunndu-se conform reaciei:

N2O + O N2 + O2 (5.1)

n zona stratosferei (10 50 km altitudine), N2O devine un gaz nociv, contribuind la distrugerea pturii de ozon:

N2O + O3 N2 + 2O2 (5.2)

5.1.4 Monoxidul de carbon CO

Prezena monoxidului de carbon n gazele de ardere este o consecin a arderii incomplete a combustibilului din punct de vedere chimic. Efectul principal asupra regnului animal este fixarea hemoglobinei din snge, ducnd n final la nrutirea alimentrii cu oxigen a organismului i la sufocare (CO are o afinitate fa de hemoglobin de 300 de ori mai mare dect a O2). Reducerea emisiei de CO se poate face n primul rnd printr-un control corespunztor al arderii (asigurarea unei arderi complete).

5.1.5 Clorul; fluorul

Emisiile de compui ai Cl i F caracterizeaz ndeosebi procesele de ardere ale deeurilor menajere urbane. Prin reacie cu vaporii de ap se formeaz HCl i HF, care au efecte toxice asupra biosistemelor. De asemeni, acidul clorhidric va conduce la coroziunea componentelor metalice ale cazanelor de abur:

atac direct:

Fe + 2HCl FeCl2 + H2 (5.3)

distrugerea peliculei protectoare de oxizi de fier:

Fe2O3 + 6HCl 2FeCl3 + 3H2O (5.4)

Fe3O4 + 8HCl FeCl2 + 2FeCl3 + 4H2O (5.5)

Capitolul 5 92

5.1.6 Aerosoli toxici

Aerosolii toxici sunt o consecin a arderii incomplete a combustibililor, reprezentnd unii din cei mai nocivi poluani. Ei sunt constituii din hidrocarburi aromatice (C8H, C6H) care au efect puternic cancerigen. La ieirea din instalaia de ardere, aerosolii cristalizeaz sub form de particule foarte fine (dimensiunea medie 0,025 m) i plutesc prin aer.

Evitarea formrii acestor poluani se realizeaz printr-o ardere complet, corespunztoare din punct de vedere al temperaturii, timpului de staionare n focar i al excesului de O2.

5.1.7 Metale grele

Efectele negative ale cenuii zburtoare sunt accentuate de prezena n compoziie a unor metale cu aciune toxic i cancerigen. Reinerea acestor metale se face odat cu cenua, n instalaii specializate. Concentraia de metale grele n cenu este dependent evident de caracteristicile crbunelui utilizat.

5.2. Reducerea emisiilor de pulberi

5.2.1 Generaliti

n timpul arderii, materia anorganic a crbunelui se transform n pulberi. O cot din aceste pulberi este reinut la baza focarului, dar cea mai mare parte este antrenat de gazele de ardere. Caracteristicile pulberilor depind de tipul combustibilului utilizat, precum i de tipul arderii (pe grtar, n strat fluidizat sau n stare pulverizat). Cele mai utilizate filtre de pulberi (cenu) n CCA sunt:

- Filtrul electrostatic (electrofiltru) - Filtrul textil (filtrul sac).

Prin performanele lor, aceste dou tipuri de filtre pot asigura emisii de pulberi sub valorile limit menionate n Anexa A. Filtrele de pulberi nu pot funciona la temperaturi nalte, ele fiind amplasate la ieirea din generatorul de abur, dup prenclzitorul regenerativ de aer.

5.2.2 Filtrul electrostatic

Filtrul electrostatic este folosit n mod curent n centralele termoelectrice de mare putere i poate funciona pe o plaj larg de temperaturi, presiuni i concentraii de pulberi. Nu este foarte sensibil la mrimea particulei i poate reine

Capitolul 5 93

att particule ude ct i uscate. Rezistena la eroziune i coroziune trebuie n general luat n considerare n faza de proiectare. O configuraie tipic pentru electrofiltru este prezentat n Figura 5.2.

Fig. 5.2 Principalele componente ale unui electrofiltru 1 - Carcasa EF; 2 - plnii de tip piramidal; 3 - plac de distribuie;

4 - electrozi de depunere; 5 - electrozi de ionizare

Filtrul electrostatic este compus din rnduri de plci dispuse paralel care formeaz ci prin care curg gazele de ardere. Aceste plci formeaz electrozii de depunere (ED), fiind legai la pmnt. n centrul fiecrei treceri se afl electrozii de ionizare (EI) conectai la polul negativ al unei surse de curent continuu de nalt tensiune. Aceti electrozi se prezint sub forma unor reele de srm.

Datorit intensitii ridicate a cmpului din jurul EI se produce o descrcare Corona (sunt emii purttori de sarcin negativ). Moleculele de gaz care se afl n zona EI sunt ionizate i migreaz ctre electrozii de sarcin opus (electrozii de depunere). Ionii se ciocnesc cu particule din fluxul de gaze de ardere, ader la acestea i le transfer sarcina electric. n momentul n care atinge o ncrcare electric suficient de ridicat, particulele migreaz la rndul lor ctre ED.

1 5 4 3

2

Capitolul 5 94

Particulele se depun pe ED sub forma unui strat de praf. Prin acest strat particulele elibereaz sarcinile lor electrice ctre suprafaa electrodului. Atunci cnd stratul are o grosime suficient de mare, electrozii sunt scuturai cu ajutorul unor sisteme mecanice. Pulberile depuse cad n plnii situate la baza electrofiltrului, de unde sunt descrcate ulterior.

n Figura 5.3 este prezentat schematic principiul de funcionare al unui electrofiltru.

Fig. 5.3 Electrofiltru: principiu de funcionare 1 - Emisie de electroni (descrcare Corona); 2 - ncrcarea particulelor cu sarcini electrice;

3 - Transportul particulelor ncrcate; 4 - Depunerea particulelor pe ED; 5 - ndeprtarea particulelor de pe ED prin lovituri mecanice

n practic, filtrul este mprit ntr-un numr de cmpuri distincte (maxim cinci n cea mai mare parte a cazurilor) alimentate din surse independente de energie electric. Electrofiltrul este plasat dup prenclzitorul de aer sau economizor, n aa numita zon rece a generatorului de abur.

Rezistivitatea particulei de praf este foarte important. Dac este prea sczut, n momentul n care ajunge pe electrodul colector, particula i pierde cu uurin sarcina electric i este reantrenat n curentul gazelor de ardere. Cnd rezistivitatea este prea mare, un stat izolator se formeaz pe electrodul colector, i eficiena filtrului scade sensibil.

Distribuia curgerii afecteaz performanele sistemului. Se dorete o curgere uniform pe ntreaga seciune deoarece aceasta asigur o colectare eficient a prafului. n acest scop este prevzut la intrarea n electrofiltru o plac de distribuie.

Capitolul 5 95

Eficiena de reducere a concentraiei de pulberi din gazele de ardere este deosebit de ridicat, depind valoarea de 90 %.

5.2.3 Filtre textile

Filtru textil reprezint una dintre cele mai eficiente soluii de reducere a emisiei de pulberi, eficiena lui depind 99 %. n general el este realizat din una sau mai multe uniti plasate n paralel coninnd iruri de uniti filtrante. Acest uniti filtrante se prezint sub forma unor cilindri executai din material textil. n Figura 5.4 este prezentat un exemplu de astfel de filtru.

Particulele sunt reinute pe suprafaa interioar a unitilor filtrante i apoi cad n plniile de colectare. O parte dintre particule rmn totui pe suprafaa textil. n timp are loc o nfundare a filtrului, pierderile de presiune pe parte de gaze de ardere crescnd peste limitele admise. Periodic este necesar o curare a suprafeelor unitilor filtrante.

Rezult o funcionare ciclic a instalaiei, alternnd perioade (mai lungi) de filtrare cu altele (mai scurte) de curare.

Fig. 5.4 Configuraia unui filtru sac 1 gaze de ardere nefiltrate; 2 unitate filtrant; 3 carcas;

4 gaze de ardere filtrate; 5 ventilator; 6 clapete; 7 plnie de colectare pulberi; 8 vane de evacuare a pulberilor colectate

Cele mai cunoscute metode de curare sunt: utilizarea unui flux invers de aer comprimat sau gaze de ardere filtrate

faza de curare filtru

faza de filtrare

Capitolul 5 96

(cazul din Figura 5.4); scuturare mecanic.

Prin utilizarea corespunztoare a unui sistem de clapete, o unitate se poate afla n faza de curare, n timp ce celelalte sunt meninute n etapa de filtrare a gazelor de ardere. n acest mod, pentru curare nu este necesar oprirea ntregii instalaii.

Exist combustibili care pot cauza nfundarea filtrelor textile, ducnd la apariia unor probleme de operare. nfundarea poate aprea n timpul pornirilor, cnd este utilizat pcur. Dac construcia este modular i modulele sunt izolate, mentenana pentru un filtru se poate executa n timp ce celelalte funcioneaz.

Investiiile sunt mai mici dect la filtrele electrostatice, dar problemele cauzate de cderile de presiune i curare duc la costuri de operare mari. Aceste costuri variaz funcie de tipul filtrului, materialul sacilor i metoda de curare. Costurile de mentenan sunt i ele mari deoarece sacii trebuie schimbai la perioade ce variaz n general ntre doi i cinci ani. n Tabelul 5.2 sunt prezentate o serie de materiale utilizate pentru realizarea unitilor filtrante.

Tabelul 5.2 Materiale utilizate n cadrul filtrelor textile de pulberi Tipul materialului filtrului Temperatur de lucru, C Normal Maxim

Bumbac 70 110 Polipropilen 90 100 Poliacrilnitril 125 140 Poliester 150 160 Polifenilen 180 200 estur din fibr de sticl 250 300 Postav din ace de sticl 220 250 Politetrafluoretilen 260 280

5.3 Reducerea emisiilor de oxizi de sulf

Se deosebesc trei ci de reducere a emisiilor de sulf: desulfurarea combustibilului alegerea corespunztoare a combustibilului desulfurarea gazelor

5.3.1 Desulfurarea combustibilului

Desulfurarea combustibililor lichizi poate fi realizat n timpul procesului de rafinare. n acest caz, desulfurarea se realizeaz prin hidrogenare, n prezena

Capitolul 5 97

unor catalizatori (cobalt, molibden), la temperaturi i presiuni relativ ridicate (320 420 C, respectiv 25 70 bar). Procedeul este costisitor, putnd conduce la o scumpire a combustibilului lichid cu 20 30 %.

Pentru combustibilii solizi principala soluie este gazeificarea. n urma gazeificrii rezult un amestec de gaze combustibile n care sulful se regsete sub forma de hidrogen sulfurat (H2S), acesta putnd fi ndeprtat cu uurin.

5.3.2 Alegerea corespunztoare a combustibilului

O alt posibilitate de a reduce emisia de SO2 este alegerea unui anumit combustibil (n faza de proiectare) sau schimbarea celui utilizat n mod curent n exploatare. Se pot evidenia dou exemple n acest sens :

nlocuirea pcurii cu gaz natural. Coninutul de sulf din gazul natural este practic neglijabil, rezultnd o reducere drastic a emisiei de SO2 .

Utilizarea unui crbune cu coninut redus de sulf (< 1 %). Preul pentru un astfel de crbune este relativ ridicat, soluia putnd a fi neviabil pe termen lung din punct de vedere economic.

5.3.3 Desulfurarea gazelor de ardere

Exist trei procedee principale de reducere a coninutului de oxizi de sulf din gazele de ardere:

procedeul uscat procedeul semiumed procedeul umed

5.3.3.1 Procedeul uscat

Metoda presupune injecia direct a unui reactant (aditiv) uscat n canalele de gaze de ardere. Reactanii uzuali sunt : piatr de var pulverizat (CaCO3), var hidratat (Ca(OH)2) i dolomit (amestec de CaCO3 i MgCO3). n focar, cldura produce calcinarea reactantului i transformarea lui n compui reactivi (CaO, MgO). Compuii reactivi reacioneaz cu SO2, formnd sulfii (CaSO3 , Mg SO3). Sulfiii nu sunt produse stabile din punct de vedere chimic i prin reacie cu oxigenul rezult sulfai de Ca i Mg (CaSO4 , MgSO4). n continuare produii de reacie sunt reinui de ctre filtrele de pulberi. n Figura 5.5 este prezentat succesiunea de reacii chimice corespunztoare acestui procedeu de desulfurare.

Aditivii pot fi injectai n diferite puncte ale traseului gazelor de ardere (vezi Figura 5.6). Dac injecia se efectueaz dup filtrul de cenu este necesar introducerea unui filtru suplimentar care s rein produsele rezultate n urma desulfurrii.

Capitolul 5 98

Fig. 5.5 Reacii chimice aferente desulfurrii uscate

Fig. 5.6 Posibiliti de injecie a reactanilor n cadrul desulfurrii uscate 1 moar de crbune; 2 focar; 3 canale de gaze de ardere din zona convectiv a

generatorului de abur; 4 filtru de pulberi; 5 co de fum

Punctul de injecie trebuie s in seama de temperatura optim de reacie dintre reactani i oxizii de sulf. n Figura 5.7 este prezentat variaia gradului de reinere a SO2 n funcie de temperatur, pentru diferii reactani (aditivi). Se poate observa c, pentru compuii calciului domeniul de temperatur favorabil reaciei cu oxizii de sulf (800 1100 C) este mai larg dect n cazul magneziului.

3 1

2 4 5

injecie reactant injecie reactant

Capitolul 5 99

Fig. 5.7 Variaia gradului de reinere a SO2 n funcie de temperatur, pentru diferii reactani (aditivi)

5.3.3.2 Procedeul semiumed

Procedeul semiumed s-a dezvoltat pe baza faptului c absorbia SO2 de ctre

compuii calciului poate fi mbuntit prin umidificarea acestora. n cadrul acestui proces, agentul de absorbie (n general o suspensie de var) este pulverizat n gazele de ardere ntr-o dispersie extrem de fin. n urma acestui proces, apa din absorbant vaporizeaz i SO2 reacioneaz cu agentul de absorbie. Reaciile care au loc sunt date n Figura 5.8. Procesul de vaporizare are loc pn cnd produii de reacie iau forma unei pulberi uscate, care este ulterior reinut n filtrul de cenu. n Figura 5.9 este prezentat schema unei instalaii de desulfurare semiumed.

n raport cu procedeul uscat se ating eficiene mai ridicate de desulfurare (pentru aceeai cantitate de reactiv), dar costurile investiionale i de operare sunt mai ridicate. Fa de procedeul umed investiia iniial este mai sczut, dar costurile de operare sunt mai ridicate datorit utilizrii unui reactiv mai scump (varul). Un alt avantaj fa de procedeul umed este acela c, dup desulfurare, gazele de ardere nu trebuiesc n general renclzite.

Din punct de vedere al rspndirii, procedeul semiumed ocup locul al doilea dup cel umed. Primele aplicaii comerciale au aprut n SUA, fiind aplicate la grupuri energetice funcionnd pe crbune. Eficiena de desulfurare poate atinge 70 - 90 %.

Capitolul 5 100

Fig. 5.8 Mecanismul reinerii SO2 n procesul semiumed de desulfurare

Fig. 5.9 Schema unei instalaii de desulfurare semiumed

Capitolul 5 101

5.3.3.3 Procedeul umed

Procedeul umed se situeaz printre cele mai folosite tehnologii de desulfurare a gazelor de ardere, fiind ntlnit n aproximativ 80 % din cazuri. n prezentul paragraf se prezint cazul n care absorbantul utilizat este carbonatul de calciu (piatra de var - CaCO3). Utilizarea carbonatului de calciu este avantajoas deoarece este disponibil n cantiti mari n multe ri i este ieftin. Produsele care rezult sunt gips sau un amestec de sulfat i sulfit de calciu.

Componenta principal a instalaiei este reprezentat de un turn (scrubber) n care are loc amestecul ntre gazele de ardere i reactani. Un turn de splare este alctuit din trei pri principale (vezi Figura 5.10):

zona inferioar de drenaj, zona de contact gaz/lichid i zona de gaze de ardere curate.

Fig. 5.10 Turn de absorbie prin pulverizare pentru desulfurarea umed a gazelor de ardere

Capitolul 5 102

n zona de drenaj suspensia rezultat din splare este colectat, amestecat, ventilat i mbogit cu absorbant proaspt. Volumul acestei zone este determinat n principal de viteza de dizolvare a absorbantului, precum i de cantitatea de SO2 ce trebuie nlturat.

n zona mijlocie a scruberului, zona de contact gaz/lichid, gazele sunt aduse n contact cu suspensia de splare, n contracurent, i astfel sunt splate. Lichidul de splare este distribuit uniform, pe mai multe nivele de pulverizare. Astfel se creeaz un spaiu de amestec omogen gaz/lichid n care are loc transferul de mas de la gazele de ardere la lichidul de splare.

n partea superioar a scruberului (zona de gaze de ardere curate), gazele de ardere trec printr-un separator de picturi n care se rein picturile fine de lichid pe care le-au antrenat. Pentru curare, separatorul de picturi este splat cu ap de sus n jos, ntr-o anumit succesiune a sectoarelor acestuia, cu ajutorul unor pulverizatoare.

Principala reacie chimic care are loc n timpul desulfurrii cu carbonat de calciu este:

SO2 + CaCO3 + 2 H2O + 1/2 O2 CaSO4 2 H2O + CO2 (5.6)

n cazul n care este utilizat laptele de var drept principal absorbant, principalele reacii sunt:

SO2 + Ca(OH)2 + H2O CaSO3 . 1/2 H2O + 3/2 H2O (5.7)

CaSO3 . 1/2 H2O + 1/2 O2 + 3/2 H2O CaSO4 2 H2O (5.8)

Figura 5.11 prezint schema unei instalaii moderne de desulfurare a gazelor de ardere cu oxidare integrat, folosind calcar drept absorbant. Gazele de ardere sunt rcite n tipul procesului pn la 40 50 0C. Realizarea unei bune dispersii la evacuarea n atmosfer prin intermediul unui co implic o temperatur a gazelor de ardere de cel puin 80 0C, fiind necesar n unele cazuri renclzirea acestora. Acest lucru poate fi realizat prin intermediul unui schimbtor de cldur n care gazele de ardere filtrate se nclzesc pe seama gazelor de ardere care intr n instalaia de desulfurare (vezi Figura 5.11). n configuraiile moderne, n care gazele de ardere sunt evacuate prin intermediul unui turn de rcire, nu mai este necesar o astfel de renclzire.

Produii de reacie colectai la baza turnului sunt evacuai cu ajutorul unei pompe. Prin deshidratarea acestor compui rezult gips de calitate foarte bun care poate fi utilizat n industria materialelor de construcie.

Apa rezidual evacuat din ciclu trebuie tratat datorit coninutului su ridicat de ioni i de metale. n schem se poate prevedea i un ventilator de aer care s asigure oxigenul necesar reaciilor 5.6 sau 5.8.

Instalarea echipamentelor necesit un spaiu destul de mare n central. La centralele existente, care nu au suficient spaiu, pot fi necesare investiii

Capitolul 5 103

suplimentare n sistemele de conducte i teren, ceea ce poate duce la costuri suplimentare sesizabile.

Fig. 5.11 Instalaie de desulfurare umed a gazelor de ardere

n Tabelul 5.3 este realizat o sintez a procedeelor de desulfurare a gazelor de ardere.

Tabelul 5.3 Sintez procedee de desulfurare gaze de ardere Procedeu Eficien de desulfurare Observaii

Uscat 50 90 % Eficiena procesului depinde n primul rnd de raportul molar Ca/S, tipul reactantului, umiditatea, cantitatea de aditivi, punctul de injecie i ncrcarea generatorului de abur.

Semiumed 70 90 % Pentru combustibil cu coninut de sulf de peste 3% scade foarte mult eficiena procesului.

Umed > 92 % Din totalul capacitilor de reducere a oxizilor de sulf instalate, 80 % folosesc procedeul umed. 72 % dintre acestea folosesc ca reactant piatra de var, 16 % varul i 12 % ali reactani

Capitolul 5 104

5.4 Reducerea emisiilor de oxizi de azot

5.4.1 Formarea de oxizilor de azot

Oxizii de azot formai n timpul arderii combustibililor fosili sunt n principal NO i NO2, n care NO are un procent de peste 90% din totalul NOx. La evacuarea gazelor de ardere n atmosfer are loc un proces rapid de conversie a NO n NO2. n funcie de modul de formare, oxizii de azot se mpart n trei categorii:

NOx termic: Rezult din reacia dintre oxigenul i azotul din aerul de ardere. Emisia de NOx termic este cu att mai mare cu ct temperatura n focar i excesul de aer au valori mai ridicate.

NOx prompt: Rezult din reacia dintre radicalii de combustibil (de exemplu CH) i azotul molecular, urmat de oxidare.

NOx combustibil: Rezult din oxidarea compuilor de azot din combustibil.

n Tabelul 5.4 sunt prezentate emisiile de oxizi de azot pentru diferite cazuri, n condiiile n care nu sunt aplicate procedee speciale de reducere a acestor emisii.

Tabelul 5.4 Emisiile de oxizi de azot pentru diferite procese de ardere fr msuri speciale de reducere

Proces de ardere Concentraia n gazele

de ardere, mg/m3 Emisie per kilogram de

combustibil, g/kg Crbuni superiori cu ardere n stare pulverizat:

focare cu evacuare lichid a zgurei 1200...3000 13...30 focare cu evacuare solid a zgurei 700...1800 8...20 Lignit (ardere n stare pulverizat) 600...1000 4...8 Focare industriale cu grtare de post-ardere 150...650 2...9

Focare cu pat fluidizat staionar 100...1000 1,2...11,6 circulant 80...300 0,9...3,5 Focare pe combustibili lichizi 300...1100 3,5...13 Focare pe combustibili gazoi 100...800 0,4...3,4

Tehnologiile de reducere a emisiilor de oxizi de azot se mpart n dou categorii: msuri primare (cele care sunt utilizate pentru controlul formrii NOx) i msuri secundare (care acioneaz asupra gazelor de ardere).

5.4.2 Msuri primare de reducere a emisiilor de oxizi de azot

n acord cu condiiile de formare a oxizilor de azot menionate n 5.4.1, msurile primare au ca scop:

Capitolul 5 105

reducerea oxigenului disponibil n zona de reacie; scderea temperaturilor de ardere; evitarea vrfurilor de temperatur prin uniformizarea i amestecarea

rapid a reactanilor n flacr; reducerea timpului de reziden la temperaturi nalte; reducerea oxizilor de azot deja formai la sfritul flcrii.

5.4.2.1 Reducerea excesului de aer

Reducerea excesului de aer este o msur simpl i uor de implementat. Reducnd cantitatea de oxigen disponibil n zona de ardere la un minim necesar pentru arderea complet, se reduce formarea de oxizi de azot termici. Procedeul necesit un sistem de reglaj fin al raportului aer - combustibil i un amestec deosebit de bun al acestora n zona de reacie.

Aplicarea necorespunztoare a acestui procedeu duce la o ardere incomplet. n acest caz randamentul generatorului de abur scade datorit creterii cantitii de carbon nears din cenu i a concentraiei de monoxid de carbon din gazele de ardere.

Fig. 5.12 Principiul de aplicare a arderii cu trepte de aer

5.4.2.2 Arderea cu trepte de aer

Procedeul se aplic la nivelul focarului. Reducerea NOx prin introducerea aerului n etape se bazeaz pe crearea a dou zone distincte de ardere n focar: o

combustibil

aer

ZONA II

ZONA I

( > 1)

( < 1)

gaze de ardere

aer

Capitolul 5 106

zon primar, cu lips de oxigen i o zon secundar cu exces de oxigen pentru a asigura arderea complet a combustibilului (vezi Figura 5.12). Aceast metod reduce cantitatea de oxigen din prima zon de ardere la 70 90 % din necesar. Arderea substoechiometric suprim conversia azotului din aer n NOx. Este redus de asemenea formarea de NOx termic. n cea de a doua zon arderea devine complet prin introducerea restului de aer necesar. Temperatura joas din a doua zon de ardere limiteaz de asemeni producia de NOx termic.

Exist dou mari dezavantaje dac procedeul nu este corect aplicat: formarea de monoxid de carbon i arderea incomplet a carbonului.

5.4.2.3 Arderea cu trepte de combustibil

Metoda se bazeaz pe crearea mai multor zone n focar n care sunt introdui n etape att combustibilul, ct i aerul de ardere. n Figura 5.13 este prezentat schematic acest procedeu.

Fig. 5.13 Principiul de aplicare a arderii cu trepte de combustibil

Procesul presupune apariia n focar a trei zone: n zona primar se arde 85 90 % din combustibil ntr-o atmosfer cu

exces relativ sczut de aer. n a doua zon (numit zon de postardere) este introdus restul de

combustibil. Se produc radicali de hidrocarburi care reduc oxizii de azot formai anterior la azot molecular. Formarea oxidului de azot n

combustibil

combustibil

aer

aer

ZONA III

ZONA II

ZONA I

( > 1)

( > 1)

( < 1)

gaze de ardere

Capitolul 5 107

zona de postardere poate fi pstrat la un nivel redus prin temperaturi de ardere sczute

n a treia zon arderea se completeaz prin adugarea restului de aer.

n zona de postardere se pot folosi diferii combustibili, dar n general se prefer gazul natural. n principiu procedeul poate fi implementat pentru toate tipurile de combustibili i n combinaie cu alte tehnici de denitrificare.

5.4.2.4 Recircularea gazelor de ardere

Procedeul const n recircularea n focar a unei pri din gazele arse evacuate din generatorul de abur (vezi Figura 5.14). Efectul este reprezentat de diminuarea temperaturii i reducerea excesului de oxigen n focar. n consecin se reduce emisia de NOx termic. Prelevarea gazelor de ardere pentru recirculare se face n general dup prenclzitorul regenerativ de aer.

Pentru o instalaie funcionnd pe crbune, NOx termic nu reprezint dect o mic fracie din NOx total. n consecin, reducerea atins pentru centralele pe crbune este de ordinul 5% i de 20 - 50 % pentru centralele pe combustibil lichid sau pe gaz natural. Recircularea implic 10 - 12% din volumul total de gaze de ardere.

Focar

Prenclzitor

aer Electrofiltru

800C

Fig. 5.14 Schema de recirculare a gazelor de ardere

5.4.2.5 Arztoare cu NOx redus

A. Arztoare cu trepte de aer Procedeul este similar cu cel prezentat n 5.4.2.2, fiind aplicat de data

aceasta la nivelul arztorului (vezi Figura 5.15). n acest proces aerul primar este amestecat cu cantitatea total de combustibil, rezultnd o zon cu exces de aer

Capitolul 5 108

subunitar i temperatur sczut. Ambele au efecte de inhibare a procesului de formare a oxizilor de azot. Urmeaz zone n care se introduce restul de aer (aer secundar i teriar) pentru completarea arderii.

Fig. 5.15 Arztor cu NOx redus cu trepte de aer

Fig. 5.16 Arztor cu NOx redus cu trepte de combustibil

Capitolul 5 109

B. Arztoare cu trepte de combustibil Aceast tehnic are drept scop s reduc oxizii de azot deja formai, prin

adugarea unei cote din combustibil n a doua faz de ardere. Introducerea n trepte a combustibilului este des utilizat n aplicaiile cu gaze naturale.

n prima zon a arztorului este introdus o cot de combustibil mpreun cu o parte din aerul de ardere (flacra primar). Aceast zon se caracterizeaz printr-o temperatur relativ redus a flcrii, care inhib producerea de NOx. n a doua zon a arztorului este introdus restul de combustibil, n condiii de exces de aer sczut (flacra secundar). Este creat o atmosfer n care oxizii de azot deja formai pot fi redui. Finalizarea arderii se face ntr-o a treia etap, n care se introduce restul de aer.

Arderea n trepte de combustibil poate fi completat cu o recirculare intern a gazelor de ardere. Prin injectarea unei cote de gaze de ardere n zona de combustie temperatura i concentraia de oxigen din flacr scad, rezultnd o reducere a NOx.

5.4.3 Msuri secundare de reducere a NOx

Dac msurile primare pentru reducerea oxizilor de azot n focare nu sunt suficiente, trebuiesc aplicate msuri secundare care acioneaz asupra gazelor de ardere evacuate din generatorul de abur. Costurile lor specifice de investiie, ca i costurile lor specifice de exploatare sunt mai mari dect cele corespunztoare msurilor primare. ns, pentru ncadrarea n limitele de emisii, aceste msuri nu pot fi evitate, ndeosebi n cazul grupurilor energetice de mare putere care funcioneaz pe crbune.

Procedeul cel mai utilizat este acela n care se realizeaz o injecie de amoniac sau uree n fluxul de gaze de ardere. Injecia se poate realiza cu, sau fr prezena unui catalizator.

5.4.3.1 Reducere selectiv necatalitic (SNCR)

n acest caz, se injecteaz amoniac (sub form de soluie) sau uree direct n partea superioar a generatorului de abur (vezi Figura 5.17). Folosind amoniacul ca reactant au loc urmtoarele reacii chimice mai mult sau mai puin simultan:

4NH3 + 5O2 4NO + 6H2O (oxidare) (5.9)

4NO + 4NH3 + O2 4N2 + 6H2O (reducere) (5.10)

Temperatura optim de reacie se situeaz ntr-un interval care trebuie respectat cu deosebit strictee: 850 i 1100 C. Peste acest interval amoniacul este oxidat i n acest fel se produce i mai mult oxid de azot, iar sub, rata de conversie

Capitolul 5 110

este prea sczut i se elimin amoniac n atmosfer. Un generator de abur echipat cu SNCR trebuie s aib mai multe puncte de injecie a amoniacului astfel nct, indiferent de ncrcare, reacia s aib loc n intervalul optim de temperatur (vezi Figura 5.18).

Urmtoarele condiii sunt importante pentru ca un proces SNCR s funcioneze bine:

amestecul complet al gazelor de ardere cu NH3; injecia NH3 la temperatura optim la toate nivele de ncrcare ale

generatorului de abur;

Injecie NH3 sau uree CO(NH2)2 Focar

Prenclzitor de aer

Electrofiltru

Fig. 5.17 Reducere selectiv necatalitic a oxizilor de azot

Acest echipament este mai puin costisitor dect procedeul SCR i mai ales, este mult mai simplu de pus n practic.

Fig. 5.18 Generator de abur echipat cu SNCR cu mai multe puncte de injecie a amoniacului

Capitolul 5 111

5.4.3.2 Reducere catalitic selectiv (SCR)

Procesul este unul de reducere a oxizilor de azot cu ajutorul amoniacului sau a ureei n prezena unui catalizator. Agentul reductor este injectat n gazele de ardere naintea catalizatorului. Conversia NOx are loc de obicei pe suprafaa catalizatorului, la o temperatura ntre 320 i 420 0C.

Instalaia trebuie s se situeze imediat n aval de generatorul de abur, nainte de prenclzitorul regenerativ de aer, pentru ca temperatura gazelor s corespund domeniului optim de aciune al catalizatorului (vezi Figura 5.19).

Fig. 5.19 Amplasarea SCR nainte de filtrul de cenu

Pentru o instalaie nou sistemul prezentat mai sus este uor de implementat, ns pentru o instalaie existent este aproape imposibil, datorit lipsei de spaiu dintre generatorul de abur i prenclzitorul de aer. n acest caz o soluie const n efectuarea acestei denitrificri mai n aval, dup filtrul de cenu (vezi Figura 5.20). n acest caz, gazele de ardere trebuie nclzite din nou pentru a atinge temperatura cerut de reacie, ceea ce nseamn un consum suplimentar de combustibil.

Catalizatorul folosit poate avea diferite geometrii ca fagure sau tip plac. n Figura 5.21 sunt prezentate formele catalizatorului. Catalizatorii pot fi realizai din oxizi de metale grele, zeolii, oxizi de fier sau carbon activ. Performanele i durata de via a catalizatorilor sunt puternic influenate de concentraia de pulberi din gazele de ardere.

Capitolul 5 112

Aer

Cazan

Prenclzitor de gaze

Prenclzitor de aer

Electrofiltru NH3

Fig. 5.20 Amplasarea SCR dup filtrul de cenu

a) b) Fig. 5.21 Catalizatori de tip fagure sau plac

a tip fagure; b tip plac

Catalizatorii sunt fabricai cu diferite diametre ale canalelor. Alegerea diametrului este optimizat n funcie de coninutul de pulberi din gazele de ardere, caracteristicile pulberilor i pierderea de presiune admisibil n SCR. Elementele individuale ale catalizatorului sunt mpachetate mpreun ntr-un modul dispus sub form de straturi n SCR (vezi Figura 5.22).

Capitolul 5 113

Fig. 5.22 Structura SCR

Principalele avantaje ale SCR sunt: Poate fi folosit pentru diveri combustibili. Nu se creeaz poluani suplimentari. Emisia poate fi redus cu mai mult de 90%.

n Tabelele 5.5 i 5.6 sunt sintetizate performanele diferitelor procedee de reducere a emisiilor de NOX.

Tabelul 5.5 Sinteza performanelor msurilor primare de reducere a NOx Procedeu Eficien Limitri

Exces de aer redus 10 44 % ardere incomplet

Ardere cu trepte de aer 10 65 % (40 % crbune, 45 % pcur, 65 % gaze naturale) ardere incomplet

Recircularea gazelor de ardere 20 50 % (< 20 % crbune, 30-50 % gaz natural) instabilitatea flcrii Ardere cu trepte de combustibil 50 60 % (70 80 % din NOx format n zona primar)

Arztoare cu NOx redus

Cu trepte de aer 25 35 % instabilitatea flcrii ardere incomplet

Cu trepte de combustibil 50 60 % instabilitatea flcrii ardere incomplet

Tabelul 5.6 Sinteza performanelor msurilor secundare de reducere a oxizilor de azot Procedeu Eficien Alte performane Parametrul Valoarea

Reducerea selectiv catalitic 80 95 %

temperatura de operare 320 420 0C (amplasare nainte de filtru de pulberi)

260 320 0C (amplasare dup filtru de pulberi) agent de reducere amoniac, uree

consumul de energie electric 0,5 % (amplasare nainte de filtru de pulberi) 2 % (amplasare dup filtru de pulberi) pierderea de presiune 0,4 - 1 kPa

Reducerea selectiv noncatalitic 30 50 (80) % temperatura de operare 850 1050 0C agent de reducere amoniac, uree consumul de energie electric 0,1 0,3 %

Capitolul 5 115

n Figurile 5.23 i 5.24 sunt prezentate dou exemple de circuite de gaze de ardere echipate cu instalaii de reducere a poluanilor atmosferici.

Fig. 5.23 Circuit de gaze de ardere cu evacuare n atmosfer prin intermediul coului de fum

Fig. 5.24 Circuit de gaze de ardere cu evacuare n atmosfer prin intermediul turnului de rcire

Aer de combustie Gaze de ardere

SCR

Ventilator de gaze de ardere

Electrofiltru

Desulfurare umed

Schimbtor de cldur recuperativ

Co de fum

300 C 380 C

95 C

50 C

85 C

130 C

120 C

Ventilator de aer

Prenclzitor de aer recuperativ

40 C

Desulfurare umed

Turn de rcire

Recuperator de cldur

Rcitor gaze de ardere

85 C 130 C

Aer de combustie Gaze de ardere

SCR

Ventilator de gaze de ardere

Electrofiltru

300 C 380 C

50 C

120 C

Ventilator de aer

Prenclzitor de aer recuperativ

40 C