Odsiarczanie spalin jest obecnie powszechnie stosowaną metodą ograniczania emisji SO2. O wyborze wariantu technologicznego decydują aktualnie głównie koszty inwestycyjne i eksploatacyjne.

Z analizy kosztów wynika, że dla bloków > 200 MWe (megawat mocy elektrycznej) najlepiej jest stosować mokrą metodę wapniakową, gdzie jako sorbent stosuje się mączkę kamienia wapiennego, a produktem jest CaSO4·2H2O, który przerabia się na gips budowlany (CaSO4·½ H2O).
Kotły o mocy < 200 MWe wymagają innego podejścia. Najczęściej stosuje się metodę półsuchą, polegającą na iniekcji zawiesiny Ca(OH)2 do specjalnego reaktora, w którym następuje usuwanie SO2. Produkt odsiarczania w postaci drobnych cząsteczek: CaSO3·½ H2O, CaSO4·2H2O, CaCO3, Ca(OH)2, CaCl2 usuwany jest w filtrach tkaninowych i praktycznie nie nadaje się do utylizacji, dlatego też musi być bezpiecznie składowany.
 
Analiza kosztów
Koncerny dysponujące mokrymi i półsuchymi IOS (instalacjami odsiarczania spalin) mogą odpad z metody półsuchej wprowadzać jako uzupełnienie sorbentu w metodzie mokrej. O wyborze technologii decyduje zazwyczaj analiza kosztów (tab. 1)1.
W Polsce istnieje zapotrzebowanie na tanią i skuteczną technologię usuwania SO2, NOx, pyłu i CO z kotłów spalających węgiel o mocy > 50 MWt (megawat mocy cieplnej) i < 500 MWt.
 
Tab. 1. Koszty inwestycyjne IOS w zależności od mocy i rodzaju metody1

Moc MW
200
500
900
Rodzaj metody
półsucha
mokra
półsucha
mokra
półsucha
mokra
Koszt inwestycji [mln dol.]
38 242 808
61 339 790
66 950 706
89 783 027
101 324 391
116 894
Koszt inwestycji [dol./kW]
195
312
130
174
113
130

 
Koszty inwestycyjne metody mokrej są o 60% wyższe przy bloku 200 MWe i tylko o 15% większe dla takiej instalacji, ale o mocy 900 MWe. Natomiast koszty eksploatacyjne będą generalnie wyższe przy metodzie półsuchej. Wynika to głównie z różnicy w cenie sorbentu: Ca(OH)2 ok. 210 zł/tonę przy CaCO3 ok. 70 zł/tonę. Analiza wszystkich kosztów preferuje metodę mokrą przy blokach > 200 MWe i półsuchą przy kotłach 50-500 MWt. Rozpatrzenie danych z tabeli 1 prowadzi do wniosku, że należy budować duże bloki o mocy 800-1000 MWe z mokrą instalacją odsiarczania spalin i odprowadzaniem ich przez chłodnie kominowe. Dążenie do obniżania kosztów eksploatacyjnych mokrych IOS doprowadziło do powstania kilku wariantów technologicznych podstawowych urządzeń IOS, czyli absorberów.
 
Specyfika mokrych IOS
W Polsce wszystkie mokre IOS pracują na podobnych zasadach. Zawiesina CaCO3 w wodzie podawana jest do dysz umieszczonych najczęściej w czterech poziomach zraszania, co umożliwia utrzymywanie stężenia SO2 na poziomie £ 400 mg SO2/.( w niektórych Elektrowniach np. Ostrołęka, Dolna Odra, czy Opole, uzyskuje się bez problemów stężenie SO2 <200 mg/m3n) Przy mniejszej zawartości siarki w węglu zmniejsza się intensywność zraszania, wyłączając jeden lub dwa poziomy. Zmiana dyrektywy emisyjnej spowoduje konieczność zmniejszenia stężenia SO2 do 200 mg SO2/ lub nawet do 150 mg SO2/. W związku z tym większość eksploatowanych w Polsce absorberów będzie musiała ulec modernizacji. Najczęściej stosowanym przez dostawców IOS sposobem jest dobudowanie dodatkowych dwóch poziomów zraszania. Efektem tego będzie zmniejszenie stężenia SO2 do niezbędnego poziomu, ale też znaczne zwiększenie kosztów eksploatacyjnych.
Doskonałym przykładem tego typu postępowania są badania przeprowadzone dla bloku 330 MWe w jednej z najnowszych instalacji w Europie, oddanej do eksploatacji w miejscowości Florina2 w Grecji w 2003 r. Wyniki tych badań zebrano w tabeli 2.
 
Tab. 2. Skuteczność usuwania SO2 w zależności od L/G i innych parametrów

Data
Moc bloku
Ilość poziomów
zraszania
Nadmiar powietrza
pH
Ilość litrów zawiesiny przypadającej na 1 m3
 
Prędkość w absorberze
Stężenie SO2/ na wlocie do instalacji
Stężenie SO2 na wylocie
Skuteczność usunięcia SO2
 
MW
–
mol O/mol SO2 removed
–
l/m3
m/s
mg/m3n, 6% O2, dry
ppmd*
mg/m3n, 6% O2, dry
%
12/09/03
303
2, 3, 4, 5
1,92
5,7
18
3,2
6,408
2,240
162
97,5
12/10/03
303
1, 2, 3, 4, 5
2,10
5,7
23
3,2
5,794
2,025
80
98,6
12/10/03
293
2, 3, 4, 5, 6
1,94
5,7
24
3,1
6,485
2,086
53
99,2
12/10/03
301
1, 2, 3, 4
1,94
5,7
18
3,2
6,551
2,290
284
95,7
12/11/03
299
3, 4, 5, 6
1,98
5,7
19
3,1
6,286
2,197
149
97,6
12/11/03
299
4, 5, 6
2,04
5,7
14
3,1
6,314
2,207
320
94,9
12/11/03
298
2, 4, 5, 6
2,02
5,7
19
3,1
6,276
2,194
187
97,0
12/11/03
291
1, 2, 3, 4, 5
2,06
5,7
24
3,1
6,196
2,166
99
98,4

* ppmd –stężenie SO2 wyrażone w ppm po odliczeniu pary wodnej. D =dry
 
W elektrowni Florina spala się węgiel brunatny, zawierający od 0,4-2,7% siarki o wartości opałowej równej 6-10 MJ/kg. Absorber wyposażony jest w sześć poziomów zraszania, a układ dysz jest podobny do stosowanego w polskich IOS. Wzrost L/G z 14 do 24 dm3/m3 powoduje przyrost skuteczności usuwania SO2 z 94,9% do 99,2%. W przeliczeniu L/G na strumień zawiesiny podawanej do dysz L/G = 14 (to 37 137 m3/h), a L/G = 24 (to 63 663 m3/h), co oznacza, że wzrost natężenia zraszania o ok. 26 500 m3/h powoduje zwiększenie skuteczności usuwania SO2 z 94,9% do 99,2%. Powyższe dane pozwalają na wstępną ocenę kosztów zwiększania skuteczności usuwania SO2. Wzrost strumienia zawiesiny o 42% przyczynia się do zwiększenia skuteczności usuwania SO2 o 4,3%.
Producenci IOS wykorzystują nieświadomość właścicieli elektrowni dotyczącą uciążliwości i kosztów eksploatacji absorberów z sześcioma poziomami zraszania. Aby spełnić wymogi Unii Europejskiej do 2016 r., wystarczą trzy poziomy zraszania, a po 2016 r. cztery odpowiednio zaprojektowane. Często jednak producenci IOS wyposażają na wszelki wypadek za pieniądze elektrownii IOS w sześć poziomów zraszania.
W tej sytuacji, ze względu na koszty eksploatacji, wypadałoby jednak zdemontować dwa poziomy (tab. 2).
Modernizacja układów zraszania absorberów to najtańszy i najprostszy sposób zmniejszenia emisji SO2 do poziomu 400 i 200 mg SO2/m3n. Właściwe zaprojektowanie układu zraszania absorbera poprzez dobranie odpowiedniego strumienia zawiesiny sorpcyjnej do strumienia spalin prowadzi również do racjonalizacji zapotrzebowania energii na potrzeby własne za sprawą pompy zawiesiny sorpcyjnej 3. Koszty prac badawczych umożliwiających właściwe zaprojektowanie układu zraszania absorberów stanowią 0,4% kosztów absorbera.
 
Nowe technologie
Konieczność ograniczenia emisji SO2 i NOx, a w przyszłości i rtęci powoduje wzrost zainteresowania nowymi technologiami z grupy Multi Pollution Control. Takie rozwiązanie, opracowane w ramach współpracy Politechniki Wrocławskiej z IPW Polin, umożliwia znaczne zwiększenie skuteczności usuwania SO2 w istniejących absorberach, bez konieczności instalowania dodatkowych dwóch poziomów zraszania6. Polega to na wprowadzeniu do kanału spalin przed absorberem dysz dwustrumieniowych, rozpylających wodę procesową na krople o średnicy < 63 mm. Spaliny wpływające do absorbera IOS będą nawilżone i znacznie chłodniejsze (60-65°C, obecnie od 95-130°C). Iniekcja wody procesowej do kanału spalin nie tylko zwiększy skuteczność usuwania SO2 o ok. 20%, ale także umożliwi obniżenie temperatury oraz usuwanie ze spalin nierozpuszczalnego w wodzie NO, który po utlenieniu, np. wodą utlenioną, przejdzie w rozpuszczalny w wodzie NO2 zgodnie z reakcją:
NO + H2O2 = NO2 + H2O.
Stosowanie tej sposobu daje też dodatkową korzyść, gdyż cząsteczki NO2 tworzą z wodą krople kwasów azotowych, które rozpuszczają niesione przez spaliny pary rtęci, zgodnie z reakcją:
2HNO3 + Hg = Hg(NO3)2 + 2 H+.
Istnieją też inne nowoczesne technologie ułatwiające eksploatację i zmniejszające koszty inwestycyjne, np. AFGD4, sprawdzona w skali 528 MWe przy spalaniu węgla zawierającego 1,5% S.

Technologia AFGD różni się od klasycznej metody wapniakowej rozwiązaniem poszczególnych węzłów:
  • konstrukcją absorbera,
  • podawaniem pyłu mączki kamienia wapiennego do zbiornika pod absorberem, zamiast uprzednio przygotowanej zawiesiny CaCO3 w wodzie,
  • podawaniem zneutralizowanych ścieków zamiast do oczyszczalni do gorących spalin przed elektrofiltrem, gdzie następuje odparowanie wody, a części stałe usuwane są razem z popiołem w elektrofiltrze,
  • obrotowym urządzeniem utleniającym CaSO3.

 
Koszty inwestycyjne zależne są od wielkości bloku i wynoszą one dla 100 MWe 193 dol./kW oraz dla 500 MWe 86 dol./kW. Z kolei koszty eksploatacyjne dla 100 MWe kształtują się na poziomie 1,64 dol./kWh, a dla 500 MWe 0,58 dol./kWh, czyli są znacznie niższe aniżeli te podane w tabeli 1.
 
Nowoczesne IOS
Nowoczesne instalacje odsiarczania spalin charakteryzują się odprowadzaniem spalin przez chłodnię kominową, co zmniejsza koszty inwestycyjne, gdyż niepotrzebny jest komin i układ podgrzewania spalin. Ponadto ich cechą jest zmiana układu przygotowania zawiesiny sorpcyjnej na bezpośrednie wprowadzenie dobrze zmielonego wapniaka do zbiornika pod absorberem. Ważnym pozytywnym aspektem jest również likwidacja ścieków, co wynika z tego, iż w procesie usuwania SO2 eliminuje się też HCl, który tworzy roztwór CaCl2 cyrkulujący w obiegu zamkniętym, aż do wzrostu stężenia chlorków do poziomu 30-50 tys. ppm. Wzrost stężenia chlorków w zawiesinie sorpcyjnej powoduje zmniejszenie skuteczności usuwania SO2 i dlatego w każdej IOS usuwa się część filtratu o stężeniu ok. 30-50 tys. ppm chlorków do oczyszczalni ścieków (6-8 m3/h dla bloku 200 MWe). Ścieki te można w odpowiednio zaprojektowanym układzie wprowadzać do spalin przed elektrofiltrem. Zawarta w ściekach sól znajdzie się w pyle odbieranym w elektrofiltrze w ilości niewpływającej na własności popiołu. Poprawi się zatem skuteczność odpylania, gdyż zmieni się rezystywność, bo zawarte w ściekach sole tworzą monowarstwy na cząsteczkach pyłu.
Nowoczesne technologie odsiarczania tworzą możliwość modyfikacji składu chemicznego spalin przez iniekcję utleniaczy, które pozwolą na usuwanie NOx i Hg w absorberze IOS. Ścieki z takiego procesu będą zawierały subtancje, takie jak: CaCl2, Ca(NO3)2 i Hg(NO3)2. W związku z tym opłaca się wprowadzać je do spalin przed elektrofiltrem lub przy blokach > 500 MWe można rozważyć krystalizację soli CaCl2 i Ca(NO3)2. Uzyska się wówczas sole chlorku wapnia (wykorzystywanego do posypywania dróg w zimie) i saletrę wapniową (jest używana jako nawóz 1250 zł/tonę). Rtęć usuwa się łatwo, dodając do ścieków Na2S, który z metalami tworzy trudnorozpuszczalne siarczki.
 
Źródła
1.       Staudt J.E., Khans S.R.: Updating Capital Cost of SO2 Control Technologies in the Integrated Planning Model and the Coal Utility Environmental Cost Model. „MEGA Symposium”. 28-31 August 2006.
2.       Lampropoulos L. (et al): PPC’s Meliti Achlada SO2 Removal System-High Efficiency Scrubbing on High Sulfur Fuel. „MEGA Symposium,Washington DC”. 30.08-02.09.2004.
3.       Gostomczyk M.A., Bronowicka A.: Możliwości poprawy skuteczności odsiarczania spalin w eksploatowanych w Polsce absorberach. „Inżynieria Chemiczna i Procesowa” t. 25, z. 4/2004.
4.       Clean Coal Technology AFGD – Pure Air. DOE/FE – 0459-1. December 2003.
 
 
 
 
 
 
 
 prof. dr hab. inż. Mieczysław A. Gostomczyk,
Instytut Techniki Cieplnej i Mechaniki Płynów,
Politechnika Wrocławska, Instytut Politechniczny,
PWSZ Kalisz