Suvi postupci odsumporavawa dimnih gasova kotlova na …termotehnika.vinca.rs/content/...dimnih-gasova-kotlova-na-spraseni... · dimnih gasova kotlova na spra{eni ugaq Karakteristike

Andrijana D. Stojanovi}*, Sr|an V. Belo{evi},Branislav D. Stankovi}, Nenad \. Crnomarkovi},Ivan D. Tomanovi}, Vladi mir B. Beqanski

Laboratorija za termotehniku i energetiku,Institut za nuklearne nauke „Vin~a”, Univerzitet u Beogradu, Beograd, Srbija

Suvi postupci odsumporavawadimnih gasova kotlova na spra{eni ugaqKarakteristike i efikasnost

Originalni nau~ni rad

Nivo svesti o za{titi ìvotne sredine u svetu je porastao pos-ledwih godina, a ekonomisti predvi|aju wegov daqi, eksplozivanrast. Ovakva predvi|awa isti~u u prvi plan zna~aj smawewa uti-caja zaga|iva~a vazduha, vode i zemqe. Oblast koja je od posebnogzna~aja je briga o mogu}nosti formirawa kiselih ki{a usled izdva-jawa SO2 i azotnih oksida tokom sagorevawa fosilnih goriva. Utom smislu se isti~u i programi odsumporavawa dimnih gasova koji se sprovode dugi niz godina u elektranama {irom sveta, a posled-wih godina i u nas. U ovom radu su opisani suvi postupci odsumporavawa dimnih gasova kotlova na spra{eni ugaq ‡ direktnim uno{e-wem sorbenta u loì{te, uno{ewem sorbenta u kanal iza zagreja~avazduha ili u za to posebno projektovan reaktor kao i suvi sistemsa raspr{ivawem. Posebno se razmatra ekonomski aspekt i efikas-nost redukcije emisije SO2. Izbor metode je ~esto zasnovan na pore-|ewu cene primene metoda. Stoga su za opisane tehnologije datiprose~ni tro{kovi redukcije emisije i istaknute one najefikasnije.

Kqu~ne re~i: suvi postupci odsumpravawa, efikasnost, sorbent,kotao, spra{eni ugaq

Uvod

Sagorevawem fosilnih goriva u atmosferu se ispu{taju produkti sagore-

vawa ‡ gasovi i nesagorele ~estice. Erozija zemqi{ta, kisele ki{e, uni{tavawe

biqnih vrsta, pojava novih industrijskih bolesti, samo su neke od posledica emisije

zaga|iva~a u atmosferu. Produkti sagorevawa kao {to su ~a|, SO2, azotni oksidi,

ugqen-monoksid, nesagoreli ugqovodonici i ugqen-dioksid teì{te su pa`we nau~-

ne misli koja se bavi problemom za{tite ̀ ivotne sredine. Termoelektrane kao naj-

ve}i potro{a~i ugqa predstavqaju glavne zaga|iva~e atmosfere SO2, pa se zbog toga

re{avawu problematike uklawawa SO2 iz dimnih gasova termoelektrana poklawa

najvi{e pa`we. Emitovane koli~ine oksida sumpora direktno zavise od wegovog

A. D. Stojanovi} i dr.: Suvi postupci odsumporavawa dimnih gasova ...TERMOTEHNIKA, 2012, XXXVIII, 1, 61‡80 61

* Odgovorni autor: elektronska adresa: [email protected]

sadràja u gorivu, reìma sagorevawa goriva, kao i kori{}ewa sistema za odsumpo-

ravawe. Standardi koji utvr|uju grani~ne vrednosti emisije (GVE) SO2 postaju sve

stroìji {irom sveta. Istraìvawe i razvoj tehnologija odsumporavawa se usmera-

va na poboq{awe efikasnosti uklawawa SO2 i minimizirawe potro{we vode i

energije. Jedan od na~ina za dostizawe visokog stepena odsumporavawa i istovreme-

nog smawewa operativnih tro{kova je kontrola radnih parametara. Smatra se [1], da

je kqu~ni na~in u postizawu visoke efikasnosti odsumporavawa poboq{awe isko-

ri{}ewa sorbenta.

Ukupna koli~ina emitovanog oksida sumpora, iz ta~kastih izvora, na teri-

toriji Srbije tokom 2010. godine je iznosila 380,5 kt [2]. Najve}i izvori ovog poluta-

nta su termoelektrane „Nikola Tesla A” i „Nikola Tesla B” u Obrenovcu, termo-

elektrana i kopovi „Kostolac B” i „Kostolac A” u Kostolcu i Rudarsko topioni-

~arski basen Bor ‡ Topionica i rafinacija bakra. U na{oj zemqi na snazi je Uredba

o GVE iz 2010. godine, koja je usagla{ena sa vaè}om EU direktivom, a nova Indus-

trijska direktiva sa jo{ stroìjim zahtevima tek treba da se sprovodi i u zemqama

EU. Time su stvorene formalne nacionalne obaveze za harmonizaciju doma}e i EU

prakse.

Postoji mnogo metoda kojima se emisija SO2 u atmosferu ograni~ava. Pored

racionalne potro{we ugqa, izbora ugqeva koji sadrè mali koli~inu sumpora u

svom sastavu, izdvajawa sumpora iz ugqa pre procesa sagorevawa, osnovni princip

uklawawa SO2 ‡ odsumporavawe, zasniva se na hemijskim reakcijama konverzije SO2

iz dimnih gasova odgovaraju}im jediwewima, pri ~emu se dobija produkt koji nije

{tetan po okolinu i koji je mogu}e lako izdvojiti. Materijal kojim se vezuje SO2,

sorbent, bi trebalo da bude jeftin, dostupan i efikasan ~ime se smawuju tro{kovi

eksploatacije. Dana{wi nivo tehni~ko-tehnolo{kog znawa pruà mogu}nost re{a-

vawa problema emisije SO2 sa visokom efikasno{}u, pri ~emu se kao ograni~avaju}i

faktor javqaju velika investiciona ulagawa i visoki tro{kovi eksploatacije.

Paralelno sa problemima smawewa emisije SO2 javqa se i prob lem velike

produkcije nusprodukta koji nastaje procesom konverzije SO2. Jednim delom taj prob -

lem se re{ava regeneracijom materijala i vra}awem ponovo u proces ili prevo|e-

wem SO2 u oblik koji ima upotrebnu vrednost. Me|utim, postavqa se pitawe ekono-

mi~nosti takvog procesa jer cena komercijalno dobijenih proizvoda je obi~no mnogo

nià od onih dobijenih procesom odsumporavawa.

U ovom radu su opisani suvi postupci odsumporavawa dimnih gasova kotlova

na spra{eni ugaq: odsumporavawe direktnim uno{ewem sorbenta u loì{te kotla,

wegove varijacije sa uno{ewem sorbenta u kanal iza zagreja~a vazduha ili za to

posebno projektovan reaktor kao i suvi postupak sa raspr{ivawem zasnovan na

procesu apsorpcije. Analizirana je wihova efikasnost i ekonomi~nost u odnosu na

ostale postupke. Ciq je da se ukaè na prednosti i nedostatke suvih postupaka

odsumporavawa i pomogne istraìva~ima i inèwerima u izboru optimalnih re{e-

wa sistema za odsumporavawe kod ve} postoje}ih ili novih termoelektrana. Opisani

postupci odsumporavawa predstavqaju mogu}e jeftine tehnologije, koje mogu dopri-

neti produèwu radnog veka postoje}ih postrojewa. Najve}a pa`wa u radu je posve-

}ena sorbentima na bazi kalcijuma (CaCO3, CaO, Ca(OH)2) kao naj~e{}e kori{}enim

za odsumporavawe dimnih gasova iz termoenergetskih postrojewa.

A. D. Stojanovi} i dr.: Suvi postupci odsumporavawa dimnih gasova...62 TERMOTEHNIKA, 2012, XXXVIII, 1, 61‡80

Postupci odsumporavawa dimnih gasova

kotlova na spra{eni ugaq

Postupci odsumporavawa se, s obzirom na mogu}nost upotrebe nastalog pro-

izvoda pri odsumporavawu, mogu podeliti na regenerativne i neregenerativne pos-

tupke. Kod neregenerativnih postupaka, iskori{}eni sorbent se odlaè kao otpad

ili koristi kao me|uproizvod. Kod regenerativnih postupaka, SO2 se izdvaja iz sor-

benta tokom wegove regeneracije, i on se daqe moè koristiti u procesu proizvodwe

sumporne kiseline, elementarnog sumpora ili te~nog SO2. Nikakav otpad ne nastaje

primenom regenerativnih postupaka. Regenerativni i neregenerativni postupci se

daqe mogu podeliti na suve i mokre. Kod mokrih postupaka se kao proizvod dobija

vlaàn muq, a dimni gasovi koji napu{taju apsorber su zasi}eni vodom. Kod suvih

postupaka, kao proizvod se dobija suvi otpadni materijal, a dimni gasovi koji napu{-

taju apsorber nisu zasi}eni [3].

Dok mokri postupci za odsumporavawe dimnih gasova imaju prednosti kao

{to je visoka efikasnost uklawawa, wihovi relativno visoki kapitalni tro{kovi

ih ~ine neatraktivnim za one primene kada je poèqno minimizirati po~etna ula-

gawa. Krajem sedamdesetih, interesovawe za razvijawe novih isplativih tehnologija

je poraslo kada je jedno ameri~ko postrojewe utvrdilo da bi kombinacija 25% tehno-

logije za uklawawe SO2 i pre~i{}avawe ugqa omogu}ilo ispuwewe regulisanih

ograni~ewa o emisiji [4].

Jedna od prvih metoda za odsumporavawe dimnih gasova koja je na{la komer-

cijalnu primenu bila je odsumporavawe dimnih gasova u loì{tu kotla dozirawem

kre~waka kao sorbenta. Na visokim temperaturama dolazi do razgradwe kre~waka i

nastajawa kalcijum-oksida koji reaguje sa SO2 iz dimnog gasa i zajedno sa mineralnim

negorivim delom ugqa odlazi iz loì{ta u vidu lete}eg pepela. Efikasnost odsum-

poravawa u loì{tu direktnim uno{ewem sorbenta, sem kod odsumporavawa u flui-

dizovanom sloju, ne moè da pre|e vrednost ve}u od 50%, {to zna~i da veliki deo

kalcijum-oksida ostaje neiskori{}en. Da bi se efikasnost odsumporavawa u kotlu

na izvestan na~in uve}ala, uz {to mawa materijalna ulagawa, razvijena je metoda od-

sumporavawa dimnih gasova u dimnom kanalu koja reaktivacijom lete}eg pepela po-

boq{ava iskori{}ewe sorbenta. Istraìvawa su pokazala da efikasnost izdvajawa

SO2 direktnim uno{ewem sorbenta u loì{te kotla zavisi od konstrukcije loì{-

ta, reìma rada kotla, vrste ugqa kao i od na~ina wegovog ubrizgavawa [5].

Ta~ka zasi}ewa dimnih gasova je najva`niji radni parametar za sve suve pos-

tupke odsumporavawa osim za postupak direktnog ubacivawa sorbenta. Naime pot-

rebno je kontrolisati koli~inu vode dodatu dimnom gasu da bi se izbeglo wihovo

potpuno zasi}ewe. Kod postupka direktnog ubacivawa sorbenta u loì{te je najva`-

niji radni parametar temperatura dimnog gasa u ta~ki kontakta sa sorbentom. Suvi

sorbent reaguje sa SO2 na temperaturama od pribli`no 1000 °C. Niè tem per a ture

umawuju iskori{}ewe sorbenta, dok vi{e dovode do sinterovawa sorbenta {to re-

zultuje destrukcijom pora i ukupne povr{ine ~estice sorbenta [6].

Radi poboq{awa efikasnosti procesa odsumporavawa, ~esto se kombinuju

sistemi za direktno uno{ewe sorbenta i ubacivawe sorbenta u dimni kanal iza zag-

reja~a vazduha, i to su tzv. hibridni sistemi [7]. Razli~ite vrste post-tretmana dim-

nih gasova nakon izlaska iz loì{ta mogu biti primewene, kao {to je ubacivawe


druge vrste sorbenta ili ovlaìvawe dimnih gasova u specijalnom reaktoru. Ovi

sistemi mogu dosti}i efikasnost od 90%.

Suvi postupci odsumporavawa opisani u ovom radu su:

‡ postupak direktnog ubacivawa sorbenta u loì{te (fur nace sorbent injection),

‡ vi{estepeno odsumporavawe (staged desulphurization by di rect sorbent injection),

‡ LIFAC (lime stone injection into the fur nace and ac ti va tion of unreacted cal cium) proces koji

podrazumeva konvencionalno ubacivawe sorbenta u loì{te pri ~emu se nerea-

govani kre~ aktivira u posebnoj komori za ovlaìvawe, tj. aktivacionom reakto-

ru i prelazi u hidratisani kre~ radi poboq{anog uklawawa SO2,

‡ ubacivawe sorbenta u dimni kanal iza zagreja~a vazduha (in-duct sorbent injection), i

‡ suvi sistemi sa raspr{ivawem (lime spray dry ing).

Suvi postupci odsumporavawa dimnih gasova

kotlova na spra{eni ugaq

Postupak direktnog ubacivawa sorbenta u loì{te

Pre~i{}avawe dimnih (otpadnih) gasova se zasniva na reakciji gasovitih

polutanata (SO2, HCl, HF, SO3) sa dodatim spra{enim suvim sorbentom. Nastali pro-

dukt se odstrawuje kao suve soli uz pomo} ure|aja za otpra{ivawe. Za ove svrhe se kao

sorbenti naj~e{}e koriste kre~, kre~wak i dolomit. Dodatak sorbenta se ostvaruje

na dva na~ina:

‡ dodatkom u gorivo, i

‡ dodatkom u dimne gasove u zoni kotla iznad plamena.

Kada se primewuje ovaj postupak, u loì{tu istovremeno dolazi do kalci-

nacije kalcijum karbonata i do vezivawa SO2 ili SO3 sa kalcijum-oksidom:

CaCO CaO CO

CaO SO O

C

C3

900 10002

2 2800 1100

–

–½

°

°

¾ ®¾¾¾¾ +

+ + ¾ ®¾¾¾¾

+ ¾ ®¾¾¾¾°CaSO

CaO SO CaSO

4C

43300 700–

(1)

Na efikasnost odsumporavawa uti~e stehiometrijski odnos Ca/S. Ovaj odnos

se u zavisnosti od ̀ eqenog stepena odsumporavawa SE, reguli{e dodavawem sorbenta

CaCO3. Stepen odsumporavawa prora~unava se iz pore|ewa specifi~nog sadràja

SO2, svedenog na referentni sadràj kiseonika u dimnim gasovima, sa vrednostima

emisije sa i bez dodatka sorbenta:

=-

åSO SO

SO

2N

2DN

2DN

E

100% (2)

gde su: SO2DN ‡ sadràj SO2 u dimnim gasovima sa dodatkom sorbenta prora~unato na

jedinstveni sadràj kiseonika u dimnim gasovima od 7%, {to odgovara vi{ku vaz-

duha l = 1,5, i SO2N ‡ sadràj SO2 u dimnim gasovima bez dodatka sorbenta.

Metoda direktnog ubacivawa sorbenta u loì{te ima slede}a ograni~ewa:

‡ temperatura u loì{tu ne treba da prelazi 1000‡1100 °C jer kod vi{ih tem pera-

tura dolazi do sinterovawa sorbenta, tako da se on deaktivira pa ne nastaje

reakcija sa SO2, i


‡ veliki sadràj sumpora u ugqu je drugi faktor koji ograni~ava primenu ove meto-

de (visok sadràj sumpora u ugqu dovodi do nepovoqnih odnosa Ca/S).

S druge strane, procenat odsumporavawa ne raste srazmerno sa pove}awem

stehiometrijskog odnosa Ca/S tako da su za efikasno odsumporavawe kod velikog sa-

dràja sumpora u ugqu neophodne velike koli~ine kre~waka, {to je tehnolo{ki i

ekonomski nepovoqno [8].

Postupak direktnog ubacivawa sorbenta u loì{te se primewuje u praksi

vi{e od 20 godina kao efikasan alat za redukciju nivoa kiselih gasova. Prvobitna

primena ovih sistema bila je za kontrolu emisije SO2 na malim postrojewima koja su

sagorevala ugqeve sa niskim sadràjem sumpora gde mokri ili suvi sistemi odsumpo-

ravawa nisu bili isplativi. Skorije, ova tehnologija je izabrana kao najpovoqnija

za smawewe emisije H2SO4 iz elektrana radi kontrole efekta poznatog kao „plava

pe~urka”. U prednosti ove tehnologije se ubrajaju:

‡ mala po~etna ulagawa,

‡ niski operativni tro{kovi i tro{kovi odràvawa,

‡ jednostavni su za kori{}ewe,

‡ dokazane performanse, i

‡ lako se integri{u u postoje}e sisteme za kontrolu vazduha.

Bab cock & Wilcox-ov sistem za direktno ubacivawe sorbenta u loì{te moè

da koristi razli~ite reagense zavisno od specifi~ne primene, postoje}e opreme za

kontrolu vazduha, cene i korisnog dejstva reagensa i vrste zaga|iva~a koji se kontro-

li{u:

‡ min eral (Na2CO3×NaHCO3×2 H2O) koji se moè na}i u prirodi za redukciju SO2, SO3

i HCl,

‡ natrijum-bikarbonata za redukciju SO2 i HCl,

‡ hidratisani kre~ za redukciju SO3 i HCl, i

‡ hidratisani kre~ i ovlaìvawe za redukciju SO2 i HCl.

Ovaj sistem moè posti}i 80% efikasnosti u uklawawu SO2, 90% u ukla-

wawu HCl i 95% u uklawawu SO3. U prednosti sistema se ubrajaju i fleksibilnost

dizajna tj. da su sistemi za skladi{tewe, rukovawe i trans port konstruisani tako da

mogu raditi sa razli~itim reagensima-sorbentima, da bi se iskoristila prednost

wihove cene. Mogu}e su razli~ite lokacije ubacivawa sorbenta u loì{te tako da

odgovaraju nameni i mogu}e je instalirawe u novim elektranama ili modifikacija

postoje}ih [9].

Treba zapaziti da ~ak i za iste procese odsumporavawa, razlike u efikas-

nosti otklawawa SO2 me|u eksperimentalnim pi lot-postrojewima verovatno nas-

taju zbog varijacija slede}ih parametara: tem per a ture lokacije za ubacivawe, me{a-

wa ~vrstih ~estica sa SO2 gasovima, vremena zaostajawa sorbenta u kotlu, brzine hla-

|ewa produkata sagorevawa i svojstava sorbenata. Generalno, brzina turbulencije,

poqe temperatura, raspored koncentracija ~estica i gasa kao i reakcije sulfati-

zacije imaju snaàn efekat na otklawawe sumpora u kotlovima [10].

Postupak direktnog uno{ewa sorbenta u loì{te iznad plamena omogu-

}ava, uz pomo} injekcionog sistema, homogeno me{awe sorbenta i dimnog gasa u op-

timalnom opsegu temperatura (sl. 1). Kao rezultat visokih temperatura (pribli`no

1000 °C) ~estice sorbenta (naj~e{}e kalcijum-hidroksid, ali ponekad i kalci-

jum-karbonat) se razlaù i postaju porozne strukture prema reakciji:


Ca(OH CaO H O2)2 ® + (3)

SO2 iz dimnog gasa reaguje sa novonastalim CaO prema reakciji:

CaO SO O CaSO+ + ®2 2 4½ (4)

Kalcijum-sulfat kao i bilo koji preostali nereagovani sorbent, napu{taju

loì{te sa dimnim gasovima. Kod nekih sistema, dimni gas se ovlaùje posle zagre-

ja~a vazduha ili se instalira komora za vlaèwe da bi se poboq{alo iskori{}ewe

reagensa. Naknadna reaktivacija upotrebqenog sorbenta (vlaèwe) se tako|e

koristi povremeno kao sastavni deo ovog sistema. Ponovo aktiviran sorbent se

moè naknadno ubaciti u kanal iza zagreja~a vazduha. Ovakva konfiguracija bi tre-

balo da se nazove hibridna.

Sistem dozirawa se prilago|ava tipu kotla koji se koristi. Va`no je da se

postigne fino raspr{ivawe ~estica i wihov dobar kontakt sa dimnim gasom. Reak-

cija sa SO2 je tipa reakcije ~vrste materije sa gasom i ona u najve}em delu zavisi od

slede}ih parametara [8]:

(1) Tem per a tura dimnog gasa:

‡ maksimalne tem per a ture reakcija za kre~wak i kre~ su oko 850 °C dok je opti-

malna temperatura za dolomit izme|u 800‡850 °C. Sorbent se uglavnom dodaje u

temperaturno podru~je izme|u 800‡1000 °C. Zbog pojave sinterovawa, a time i

smawewa efikasnosti odsumporavawa, temperatura dimnog gasa ne sme pre}i

1250 °C u nivou ubacivawa sorbenta, i

‡ retenciono vreme sorbenta u gasu mora da bude najmawe 1‡2 sekunde u podru~ju

radnih temperatura odsumporavawa.

(2) Tip sorbenta i veli~ina ~estica:

‡ U pore|ewu sa CaCO3, Ca(OH)2 ima ve}u specifi~nu povr{inu i ve}u specifi~nu

reaktivnost. Nepovoqna veli~ina ~estica kalcijum-hidroksida (>5 mm) i kalci-

jum karbonata (>20 mm), kao i wihova neravnomerna raspodela u kotlu mogu

zna~ajno umawiti efikasnost procesa.

(3) Koli~ina sorbenta:

‡ Efikasnost odsumporavawa zavisi od sadràja sumpora u ugqu, dodatka sorben-

ta i rada kotla. Molarni odnos Ca/S kod rada treba da je izme|u 2‡4,5 da bi se

obezbedila efikasnost izdvajawa SO2 od oko 50%.


Slika 1. [ematski prikaz postupka direktnog uno{ewa sorbenta u loì{te

Pove}awe koli~ine sorbenta dovodi do zna~ajnog pada tem per a ture i efi-

kasnosti kotla. Nus-proizvod koji nastaje kod odsumporavawa se izdvaja uz pomo}

elektrostati~kog filtera, zajedno sa lete}im pepelom. Wegov sastav se kre}e u gra-

nicama prikazanim u tabl. 1.

Nus-proizvod koji nastaje u ovom procesu se industrijski koristi kod:

‡ izgradwe puteva,

‡ zasipawa zemqi{ta, i

‡ kao sredstvo za neutralizaciju u industriji.

Odre|ivawe pozicija za ubacivawe sorbenta je kriti~no za uklawawe sum-

pora iz dimnih gasova u kotlu za sagorevawe spra{enog ugqa. Da bi odredili op ti -

malnu poziciju ubacivawa koja vodi najvi{oj efikasnosti procesa odsumporavawa,

neophodno je izvesti prora~une zasnovane na modelima kalcinacije i sulfatizacije

za aktuelne industrijske uslove. Parametar koji odre|uje optimalnu poziciju uba-

civawa sorbenta je retenciono vreme tj. vreme zadràvawa reaktanata reakcije sul-

fatizacije-kalcinacije u loì{tu. Visoke tem per a ture u loì{tima za sagore-

vawe ugqenog praha uslovqavaju kratko vreme (1‡2 sekunde) zadràvawa reaktanata

{to nije dovoqno da se apsorbuje izdvojeni SO2. Pri temperaturama iznad 900 °C

kalcijum-sulfat se razlaè, a efikasnost odsumporavawa naglo opada. Zato je razvi-

jeno nekoliko vrsta procesa odsumporavawa i izvedeno u eksperimentalnim ili in-

dustrijskim kotlovima za sagorevawe spra{enog ugqa. Proces ubacivawa kre~waka

pri vi{estepenom sagorevawu kod koga se kre~wak dodaje u dva nivoa, viso-

ko-temperaturnom (redukciona zona) i niskotemperaturnom (oksidaciona zona),

obi~no pove}avaju efikasnost odsumporavawa na 80‡85% pri Ca/S = 2. Detaqan opis

ovog postupka je dao Makarytchev [11]. Prema termodinami~kim prora~unima koji su

izvr{eni primenom ovog metoda, a za ugqeve Vajoming i Ilinois br. 6 [12], ustanov-

qeno je da su uslovi koji podsti~u stvarawe dve vrste ~vrstih proizvoda kalcijuma:

bogata goriva sme{a pri visokim temperaturama (T £ 2000 K) kada se formira CaS(s)

i uslovi siroma{ne sme{e goriva i vazduha pri niìm temperaturama (T £ 1500 K)

kada se formira CaSO4(s). Ovaj metod podrazumeva sukcesivno uklawawe sumpora u

vidu me|u-proizvoda CaS u visoko-temperaturnoj redukcionoj zoni i u vidu kona~nog

proizvoda CaSO4 u nisko-temperaturnoj zoni oksidacije.

Veoma vaàn predmet izu~avawa brojnih studija je pobq{awe karakteris-

tika hidratisanog kre~a koji se koristi za suvi postupak odsumporavawa. Sorbenti

pripremqeni od hidratisanog kre~a i materijala koji sadrè silicijum, kao {to su

lete}i pepeo ili infuzorijska zemqa se smatraju reaktivnijim sa SO2 nego ~isti

hidratisani kre~. Nedavno su Brodnax i Ro chelle [13] utvrdili da se {qaka (iron blast


Tablica 1. Sastav nus-proizvoda iz sistema za odsumporavawe

Sorbent/Faza CaCO3, [%] Ca(OH)2, [%]

Lete}i pepeo 20–40 25–50

CaCO3 10–20 5–10

CaSO4 20–25 25–30

CaO 25–30 25–35

fur nace slag) moè koristiti za pripremu SO2 reaktivnih sorbenata. Ova vrsta

{qake se sastoji od SiO2, Al2O3 i CaO i sli~na je po sastavu lete}em pepelu. Jedino je

wen sadràj CaO vi{i. Liu i Shih [14] su tako|e potvrdili da ova vrsta sorbenta ima

ve}e specifi~ne povr{ine i vi{e reaktivnosti u odnosu na hidratisani kre~.

Liu i Okazaki [15] su izu~avali karakteristike i mehanizme odsumporavawa

pri O2/CO2 sagorevawu spra{enog ugqa kori{}ewem sopstvenih eksperimentalnih

podataka tj. kinetike reakcija odsumporavawa i kinetike dekompozicije CaSO4. Ut-

vr|eno je da je efikasnost sistema za odsumporavawe pri ovom sagorevawu pove}ana

~etiri do {est puta u odnosu na konvencionalni na~in sagorevawa spra{enog ugqa i

to uglavnom zbog:

(1) vremena zaostajawa SO2 koje je pove}ano, ali on je oboga}en unutar kotla zbog

recirkulacije dimnih gasova, i

(2) CaSO4 dekompozicija je ubrzana zbog visoke koncentracije SO2. Efikasnost sis-

tema za odsumporavawe sa O2/CO2 sagorevawem spra{enog ugqa je zadràla visoke

vrednosti u {irokom opsegu temperatura.

Najve}e investiciono ulagawe u ovaj postupak odsumporavawa je u:

‡ sisteme za dozirawe i ubacivawe sorbenta,

‡ ventilatore za gas,

‡ filtere, i

‡ instalacije za odlagawe nus-proizvoda.

Tro{kovi eksploatacije postrojewa zavise u prvom redu od cene sorbenta

(u~estvuje sa preko 50%) i cene odlagawa (u~estvuje sa oko 40%).

Sa ciqem poboq{awa reaktivnosti sorbenata za otklawawe sumpora, efi-

kasno je poboq{ati wihova fizi~ka svojstva kontrolisawem radnih parametara u

procesu pripreme. Utvr|eno je da uvo|ewem CO2 u rastvor Ca(OH)2 dobijamo CaCO3 sa

povr{inom od 10‡70 m2/g, koji ima ve}u sposobnost odsumporavawa u odnosu na kre~-

wak [16]. Kada se rastvor kalcijum/lignosulfonata ili etanol-vode koristi za pro-

ces hidratacije CaO, porozna struktura kalcijum-hidroksida je poboq{ana, a veli-

~ina ~estice smawena {to vodi boqoj apsorpciji SO2 [17]. Ubacivawe sorbenta u

emulzionoj fazi u kotao poboq{ava uklawawe sumpora umawewem sinterovawa sor-

benta zbog isparavawa kapi emulzije i redukovawa veli~ine ~estice sorbenta [18].

Zato {to postoje pojedine bazne ~estice zemqe u pepelu ugqa, mogu}e je upo-

trebiti ih za pripremu jeftinih sorbenata za otklawawe sumpora. Kqu~ni prob lem

je kako aktivirati efektivna jediwewa u pepelu ugqa procesom hidratacije Ca(OH)2

i pepela ugqa pod promenqivim pritiskom. Hidratacija pospe{uje dobijawe kalci-

jum-aluminat silikata {to dovodi do poboq{ane mikrostrukture. Povr{ina ~esti-

ce sorbenta je linearno zavisna od odnosa pepela ugqa i Ca(OH)2, vremena hidrata-

cije i drugih radnih parametara. Objavqeno je da odnos ~estica pepela ugqa prema

~esticama Ca(OH)2 ima zna~ajne efekte na povr{inu ~estice koja varira u opsegu od

2,5‡64,3 m2/g kao i na sadràj kalcijuma koji varira u opsegu od 6‡748 mg/l, ali ima ne-

znatan uticaj na zapreminu pore koja je pribli`no 1,1 cm3/g [19].Smatra se da mawe ~estice sorbenta dovode do brè redukcije SO2 i konver-

zije CaO. Efikasnost otklawawa sumpora od 50% moè da se dostigne procesomubacivawa u kotao sa veli~inom ~estice kre~waka od 5‡100 µm. Cena mlevewa idestrukcije zapremine pore, ukoliko su sorbenti dobro samleveni, odre|uje mini-malni sredwi pre~nik od pribli`no 5 µm [20]. Smawewe sredweg pre~nika ~esticekre~waka od 10 na 1 µm pospe{uje apsorpciju SO2 od 40‡50% pri Ca/S = 2. Smatra se da


je brzina reakcije sulfatizacije ultrafinih ~estica CaO (dp < 1 µm) 5×102–5×103 putave}a od one kod ~estica uobi~ajenih veli~ina CaO (dp > 1 µm) kori{}enih kod suvogprocesa ubacivawa sorbenta [21]. U literaturi je razmatrana eliminacija otporadifuzije unutar ~estice pri wenoj veli~ini od 1–2 µm, i utvr|eno da daqa redukcijau veli~ini ~estice ne ostvaruje dodatno poboq{awe [16, 22].

Vi{estepeno odsumporavawe

Metoda koja se koristi za poboq{awe efikasnosti uklawawa sumpora kod

kotlova za sagorevawe spra{enog ugqa jeste vi{estepeno odsumporavawe. Ova metoda

podrazumeva sukcesivno izdvajawe sumpora u obliku CaS u visokotemperaturnim re-

dukcionim zonama i u obliku CaSO4 u niskotemperaturnim zonama oksidacije.

Utvr|eno je da vi{estepeno ubacivawe sorbenta pove}ava efikasnost od-

sumporavawa za 15‡20%. Hidratisani kre~ ili prirodni kre~wak se koriste u praksi.

Oba se razlaù na CaO na temperaturama u kotlu prema reakcijama kalcinacije:

Ca(OH s CaO s H O g

CaCO s CaO s CO g

2) ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )

2

3 2

® +

® +

üýþ

(5)

Novoformirani spra{eni CaO apsorbuje SO2 prema heterogenim reakcija-

ma sulfatizacije:

CaO s SO g O g CaSO s( ) ( ) ½ ( ) ( )+ + ®2 2 4 (6)

Laboratorijska i iskustva u praksi pokazuju da je glavni faktor koji uti~e

na proces direktnog odsumporavawa vreme zaostajawa reaktanata u strogo defini-

sanom temperaturskom poqu. Pri temperaturama od 1100‡700 °C, potrebne su 2‡3

sekunde. Ovakvo vreme zaostajawa je te{ko dosti}i u malim i postrojewima sredwe

veli~ine. Kako se CaSO4 razlaè na temperaturama iznad 1100 °C, mesto ubacivawa

sorbenta mora da se nalazi u podru~ju gde temperatura opada do zadovoqavaju}eg ni-

voa. Karakteristi~no vreme reakcije kalcinacije-sulfatizacije pri ovim tem pera-

turama (1‡2 sekunde) moè da se uporedi sa vremenom zaostajawa reaktanata u kotlu.

Kao rezultat, efikasnost ovakvog jednostepenog procesa odsumporavawa je niska i

iznosi otprilike 50‡60%.

Kod vi{estepenog odsumporavawa, gorionik ima tri funkcionalne zone

(sl. 2). I je primarna zona sagorevawa (ispod nivoa za ubacivawe sekundarnog vaz-

duha); II je sekundarna zona sagorevawa (iznad nivoa za ubacivawe sekundarnog vaz-

duha i ispod nivoa ubacivawa sorbenta); III je zona odsumporavawa (iznad nivoa uba-

civawa sorbenta). Procesi koji se javqaju u okviru svake od zona su slede}i: I ‡ devo-

latilizacija ugqa, izdvajawe sumpora sa volatilima u obliku H2S i potpuno sago-

revawe volatila; II ‡ sagorevawe koksnog ostatka, reakcije izme|u primarnog dim-

nog gasa i sekundarnog vazduha; III ‡ kalcinacija i sulfatizacija ~estica sorbenta,

sagorevawe preostalog koksnog ostatka [11].

Temperatura gasa du` kotla opada linearno od 1500 °C (plamen volatila) do

150 °C (dimni gas u dimwaku) sa porastom vremena boravka u kotlu. Ugaq/primarni

vazduh, sekundarni vazduh i mlaznice za ubacivawe sorbenta su locirane, respek-

tivno, pri temperaturama od 1500, 1300 i 1100 °C. Gas i ~estice sorbenta se nalaze u


termodinami~koj ravnoteì.

Temperatura povr{ine ~es-

tice koksnog ostatka koji sa-

goreva je za 400 °C vi{a od lo-

kalne tem per a ture gasa.

Eksperimenti sa direkt-

nim ubacivawem sorbenta u

loì{te kotla na spra{eni

ugaq ukazuju na to da je duì-

na vremena trajawa reakcije

kalcinacije-sulfatizacije

osnovni ograni~avaju}i fak-

tor uklawawa sumpora na ni-

vou od 50‡60%. Mogu}a do-

pu{tena gre{ka je po~etna

apsorpcija CaS u visokotem-

peraturnoj zoni (prvi stepen

odsumporavawa). Zatim se

kalcijum-sulfid moè delimi~no ukloniti sa pepelom i/ili oksidovati do CaSO4 u

niskotemperaturnoj zoni (drugi stepen). Ova tehnika je nazvana vi{estepeno od-

sumporavawe.

Vi{estepeno odsumporavawe je u praksi pra}eno tehnikom vi{estepenog

sagorevawa, koja se uvodi zbog redukcije emisije NOx iz kotlova na spra{eni ugaq.

Redukovani uslovi u primarnoj zoni sagorevawa kod stupwevitog sagorevawa su

generalno odgovaraju}i za visokotemperaturnu apsorpciju sumpora u vidu CaS. Me|u-

tim, efektivna redukcija emisije NOx i SOx simultanim ubacivawem vazduha i sor-

benta moè zahtevati optimizaciju koeficijenta vi{ka vazduha za svaki stupaw i

lokacije mesta za ubacivawe.

Uno{ewe sorbenta u reaktor iza zagreja~a vazduha

i ispred filtera za ~estice

LIFAC je proces odsumporavawa koji je razvila kompanija Tempella (sl. 3).

Tokom ovog procesa, kre~ koji nije odreagovao se aktivira u posebnoj komori za

ovlaìvawe ‡ aktivacionom reaktoru. Ukupna redukcija emisije SO2 je 70%. Proces

zahteva opremu za ubacivawe kre~waka u kotao i aktivacioni reaktor koji je in-

staliran izme|u kotla i elektrostati~kog filtera. U prvoj fazi procesa, fino

spra{eni kre~wak se pneumatski doprema i ubacuje u gorwi deo kotla gde su tem per a -

ture u opsegu od 980‡1100 °C. Ove tem per a ture su dovoqno promenqive da spre~e

topqewe ili rastvarawe kre~waka, ali dovoqno visoke za razlagawe kre~waka na

CaO i CO2. Ubacivawe kre~waka se postiè preko {est otvora, raspore|enih u dva

razli~ita nivoa kotla. Svaki niz od {est otvora sadrì ~etiri mesta na zidu nas-

pram vrha kotla i po jedan otvor na svakom susednom zidu. Koli~ina kre~waka koja se

ubacuje je odre|ena sadràjem sumpora u ugqu i molarnog odnosa Ca/S radi lak{e

kontrole emisije SO2. Pribli`no 25% od ukupne apsorpcije SO2 se javqa kada SO2

reaguje sa CaO prolaze}i kroz kotao ~ime se formira kalcijum-sulfit (CaSO3), koji

oksidira daju}i kalcijum sulfat (CaSO4).


Slika 2. Zonski raspored modela kotla za sagorevawespra{enog ugqa

Dimni gas, nereagovani CaO, i pepeo izlaze iz kotla, prolaze kroz zagreja~

vazduha, i ulaze u LIFAC-ov aktivacioni reaktor. LIFAC-ov aktivacioni reaktor se

sastoji iz niza dvostrukih mlaznica koje se nalaze pri samom vrhu i vertikalne

komore za ovlaìvawe i hla|ewe dolaze}eg dimnog gasa. Ovlaìvawe aktivira CaO

koji reaguje daju}i kalcijum hidroksid ‡ Ca(OH)2 ili hidratisani kre~ ‡ zbog poboq-

{awa apsorpcije SO2, isto kao i hla|ewe struje dimnog gasa do tem per a ture zasi}e-

wa. Temperatura zasi}ewa je ta~ka pri kojoj se voda i kiselina iz dimnog gasa konden-

zuje i vi{e se ne vra}a u proces [23].

Ubacivawe sorbenta u kanal iza

zagreja~a vazduha

Efikasnost postupka direktnog uno{ewa sorbenta u loì{te se moè

pove}ati ukoliko bi se deo neizreagovanog kalcijum-oksida, koji se nalazi u lete}em

pepelu, mogao iskoristiti. Jedan od na~ina za wegovo iskori{}ewe je vlaèwe

dimnog gasa u dimnom kanalu iza zagreja~a vazduha, pri ~emu se stvara aktivna sredi-

na za vezivawe SO2 i poboq{ano delovawe elektrostati~kog filtra. Osim reakti-

vacije lete}eg pepela, kao na~in za dodatno pove}awe efikasnosti procesa odsumpo-

ravawa moè se u dimni kanal dodavati hidratisani kre~ zbog svojih dobrih fizi~-

ko-hemijskih osobina.

Iskori{}ewe sorbenta moè da se pove}a dodavawem aditiva postoje}em

sorbentu. Su{tinski prob lem komercijalne primene ovih tehnologija je razvoj pro-

cesa ovlaìvawa, dok je odlu~uju}i faktor ukupne cene procesa iskori{}ewe sor-

benta.

Prema na~inu ubrizgavawa sorbenta u dimni kanal razlikuju se dve osnovne

metode:

‡ ubrizgavawe suspenzije sorbenta (jednostepeno ubrizgavawe), i

‡ posebno ubrizgavawe sorbenta, a posebno vode (dvostepeno ubrizgavawe).

Procesi sa jednostepenim ubrizgavawem sorbenta se prema konstrukciji

raspr{iva~a daqe dele na:


Slika 3. [ematski prikaz LIFAC-ovog postupka odsumporavawa:(1) ‡ kotao, (2) ‡ zagreja~ vazduha, (3) ‡ aktivacioni reaktor,

(4) ‡ elektrostati~ki talo`nik, (5) ‡ dimwak

‡ Bechtel CZD proces u kome se suspenzija sorbenta ubrizgava dvofluidnim raspr-

{iva~em, i

‡ Gen eral Elec tric ISD proces u kome se sorbent ubrizgava rotacionim raspr{iva~em.

Con sum ers Power Com pany u saradwi sa Penn syl va nia Elec tric Com pany razvila je

Bechtel Con fined Zone Disperzion, CZD (suèna zona disperzije) proces, u kome se raspr-

{ena suspenzija kre~a injektira u dimni kanal, aksijalno niz tok dimnog gasa izme|u

zagreja~a vazduha i filtera. Uba~eni sorbent se konusno {iri i me{a sa dimnim

gasom. Za su{ewe kapqica je potreban pravolinijski dimni kanal sa vremenom bo-

ravka od 1‡2 sekunde, {to pri prose~noj brzini strujawa dimnog gasa od 15 m/s odgo-

vara duìni od 15‡30 m [5].

Pod upravom Gen eral Elec tric Com pany u saradwi sa Ohio Power Com pany razvi-

jen je IDS (in the duct scrub bing – isparavawe u dimnom kanalu) proces koji se zasniva na

ubrizgavawu kre~ne suspenzije rotacionim raspr{iva~em u dimni kanal izme|u

zagreja~a vazduha i filtera pri ~emu je vreme zadràvawa gasa bilo oko 1,5 sekunde.

Produèwe vremena nije bilo mogu}e jer je dolazilo do taloèwa sorbenta na povr-

{ini kanala. Mewawem brzine protoka suspenzije variran je stehiometrijski odnos

Ca/S od 0,16‡1,3 pri ~emu je uklawawe SO2 direktno zavisilo od stehiometrijskog

odnosa. Me|utim, kako je koncentracija suspenzije bila skoro konstantna, pribli-

èwe adijabatskom zasi}ewu smawivalo se kako se pove}avao stehiometrijski odnos.

Najve}e izdvajawe SO2 bilo je 47% za stehiometrijski odnos 1,5 i Dt = 25 °C uz

iskori{}ewe sorbenta od 35% [5, 24].

Procesi sa dvostepenim ubrizgavawem sorbenta se baziraju na principu me-

{awa finih dispergovanih ~estica sorbenta sa dimnim gasom. Voda se moè dodati

nezavisno od sorbenta bilo posle ili pre ubacivawa suvog sorbenta, a da bi se dimni

gas ovlaìo. Sorbenti kre~waka su nereaktivni pri temperaturama od 60 °C do 175 °C,

temperaturnog opsega koji je od zna~aja za ovu tehnologiju [25]. Dok sistemi zasno-

vani na natrijumu mogu biti efektivni, mogu}nost topqewa dobijenih soli ograni-

~ava wihovu upotrebu. Kao i kod odsumporavawa direktnim uno{ewem sorbenta u

kotao, vrsta sorbenta, poreklo, specifi~na povr{ina i poroznost zna~ajno uti~u na

odsumporavawe u dimnom kanalu.

Sorbenti kre~waka mogu biti uba~eni u vidu suvog praha ili kao muq, ali u

bilo kom slu~aju, ovlaìvawe dimnih gasova je potrebno da bi se dostigla tempe-

ratura zasi}ewa dimnog gasa radi efikasnosti procesa. Potreba za efektivnim

kompletnim kvazi-isparavawem dodate vode ~ini neophodnim potrebu za dugim pra-

vim kanalom ili za modifikacijom izlaznih gasova zbog potrebnog vremena zaosta-

jawa. Kao posledica, duìna/veli~ina kanala zavisi od dostignutog stepena atomi-

zacije. Naravno, otpra{iva~ ili ESP (elec tro static precipitator) koji se koristi za sa-

kupqawe ~estica mora biti adekvatno dimenzionisan zbog pove}anog puwewa ~esti-

cama pra{ine. Sakupqeni pepeo }e sadràti me{avinu nereagovanog hidratisanog

kre~a i lete}eg pepela, zajedno sa dobijenim krajwim proizvodima-kalcijum-sulfi-

tom i kalcijum-sulfatom [26].

Conoco Coal Re search Di vi sion je ustanovio Coolside tehnologiju uz kori{}ewe

Coolside hidratisanog kre~a i lete}eg pepela, koji je nastao odsumporavawem direkt-

nim uno{ewem kre~waka u kotao, kao sorbenata, (sl. 4). Ovaj proces podrazumeva teh-

nologiju odsumporavawa dimnog gasa ubrizgavawem/ovlaìvawem suvog sorbenta u

dimnom kanalu. Ova tehnologija moè obezbediti nisku cenu kontrole emisije SO2

uz mogu}nost primene u razli~itim uslovima sagorevawa ugqa. Tehni~ki zahtevi


procesa su mali po{to dimni kanal iza zagreja~a i sabirni sistem (vre}asti fil ter

ili elektrostati~ki odvaja~ pra{ine) obezbe|uju dovoqan reakcioni prostor za ve-

zivawe SO2 [27].

Analiza Coolside tehnologije posluìla je da identifikuje mehanizme i limi-

tiraju}i stepen brzine reakcije vezivawa SO2 u dimnom kanalu kao i u elektrostati~-

kom filtru (ESO). Analize pokazuju da je uklawawe u ESO-u limitirano niskim

nivoom masenog transfera SO2 do sorbenta na vre}ama elektrostati~kog filtera.

Suvi sistemi sa raspr{ivawem zasnovani na apsorpciji

Suvi sistemi sa raspr{ivawem se zasnivaju na procesu apsorpcije kojim se

vezuje SO2, a koji se odvija u specijalnim reaktorskim prostorima, apsorpcionim

kolonama, gde dolazi do fizi~ko-hemijskog kontakta izme|u struje dimnog gasa i

apsorbenta, pri ~emu tok moè biti istrostrujni ili suprotnostrujni. Da bi izme|u

dva fluida do{lo do {to boqeg kontakta, a time i do ve}eg prinosa reakcije, apsorp-

cioni fluid se raspr{ava u vrlo fine kapi. Sistem za raspr{ivawe je ujedno i

najva`niji deo opreme.

Kod suvih sistema za odsumporavawe dimnih gasova ne postoji kontakt vla`-

ne i suve faze na unutra{wim povr{inama, lepqewe i zapu{avawe se ne javqaju.

Veli~ina i cena vre}astog filtera ili elektrofiltera zna~ajno se smawuju, jer se

prvi stepen odvajawa javqa u samom apsorberu (10‡30%). Kako se ovi filteri nalaze

na kraju samog sistema, obezbe|ena je vrlo mala emisija ~estica u atmosferu.

Investiciona cena i cena rada su mawe nego kod mokrih sistema. Ve}ina ele-

menata sistema ne zahteva posebne konstrukcijske materijale, niti bilo kakve ob-

loge. Sistem radi sa malim padom pritiska tako da omogu}ava izbor ventilatora sa

mawom snagom. Prednost je i to, {to se ven ti la tor nalazi u struji suvog ~istog gasa.

Problemi u radu suvih sistema vezani su najvi{e za primenu pulpe i sistem

manipulacije pepelom. Kako se radi o pulpi sa visokim sadràjem ~vrste faze i veli-

kom viskozno{}u ponekad dolazi do zapu{avawa na usisnim delovima pumpi, stvarawa

naslaga na zidovima rezervoara, zapu{avawa sita na linijskim delovima kanala itd.


Slika 4. [ematski prikaz postupka direktnog uno{ewem sorbenta u kanal

Bab cock-ov suvi sistem sa raspr{ivawem [28] koristi raspr{iva~ pod na-

zivom Niro-at om izer, (sl. 5).

Otpadni gas prvo dolazi u apsorber. Na vrhu apsorbera je lociran Niro rota-

cioni at om izer koji fino raspr{uje visoko alkalnu pulpu. SO2 se sakupqa kon-

taktom finih kapqica raspr{ene pulpe i proto~nog gasa. Jedan at om izer se obi~no

koristi na 34.000‡34,00.000 m3/h. Posle apsorbera, proto~ni gas odlazi u elektri~ni

ili vre}asti fil ter.

Dok je dostizawe ta~ke zasi}ewa potrebno radi visoke efikasnosti ukla-

wawa SO2, potpuno zasi}ewe onemogu}ava rad apsorbera zbog vla`nih ~estica koje

priawaju na zidove reaktora i u filtru. Osnovne reakcije u apsorberu su:

Ca OH SO CaSO H O H O

Ca OH SO H O Ca2

( ) ½

( )2 2 3 2 2

2 3

+ ® × +

+ + ®

½

SO H O

CaSO O2

2

4

3

2×

+ ®½ CaSO4

ü

ýï

þï

(7)

Opseg kori{}ewa baza u apsorberu je ograni~en vremenom wihovog zaostajawa

u reakciji gas-~vrste ~estice. Uobi~ajeno vreme zaostajawa u apsorberu je 8‡12 sekun-

di. Sa ciqem pove{awa iskori{}ewa sorbenta, deo suvih ~vrstih ~estica sa dna apsor-

bera i levka za sakupqawe pepela iz filtera se odvode u rezervoar za reciklirawe

~vrstih ~estica iz rastvora. Recirkulisani rastvor sadrì delimi~no reagovane baze

iz prethodnih tokova kroz sistem. Dodatno izlagawe sorbenta SO2 u koje se javqa zbog

recirkulacije dovodi do poboq{anog iskori{}ewa sorbenta [29].

Prenos mase tokom procesa u apsorberu se odvija u dve odvojene faze: vla`noj i

suvoj. Tokom vla`ne faze, SO2 difunduje iz gasa do vla`ne povr{ine ~estica kre~a i

reaguje sa rastvorenim kre~om. Proizvod reakcije se taloì na povr{ini ~estice kre-

~a. Tokom suve faze, SO2 difunduje kroz proizvode reakcije izme|u kre~a i SO2 i dovo-

di do reakcije gasno-~vrsto stawe pri ~emu jezgro ~estice kre~a ne reaguje. Istraìva-

wa ukazuju da je ve}ina zadrànog SO2 u apsorberu nastala tokom vla`ne faze. Bilo

koje produèwe trajawa vla`ne faze }e stoga pove}ati koli~inu zadrànog SO2 [29].


Slika 5. [ema postrojewa sa suvim sistemom za raspr{ivawe

Efikasnost i ekonomski efekti postupaka odsumporavawa

dimnih gasova u kotlovima na ugqeni prah

direktnim uno{ewem sorbenta

Mnogi postoje}i kotlovi na ugaq zbog svoje veli~ine, dugog radnog veka i

ograni~ewa u prostoru ne dozvoqavaju instalirawe velikih sistema za odsumporava-

we. Za ovakve kotlove se predlaè sistem za direktno ubacivawe sorbenta u loì{-

te. Na primer, Bab cock & Wilcox-ov sistem za direktno ubacivawe sorbenta u loì{te

je pokazao da moè ukloniti 50% SO2 kori{}ewem fino samlevenog kre~a i sa obil-

nim ovlaìvawem dimnih gasova. Ubacivawe kre~a umesto kre~waka pove}ava efi-

kasnost uklawawa SO2 do 61% i nije potrebno obilno ovlaìvawe. Komora za vla-

èwe ima veliki uticaj na efikasnost sistema kao i na sakupqawe ~estica u elek-

tro-filteru. Ona se sastoji iz niza mlaznica sme{tenih u/na horizontalnom delu

cevovoda. Kompanija LIFAC je demonstrirala svoj sistem za direktno odsumporavawe

u elektrani White water Val ley u Ri~mondu, Indijana, SAD. Tokom procesa odsumpo-

ravawa, kre~wak apsorbuje izvesnu koli~inu SO2 iz dimnog gasa tokom prelaska u

gorwi deo loì{ta. Vertikalna komora za ovlaìvawe posle loì{ta zadràva do-

datni SO2 tokom niza hemijskih reakcija. Ovaj sistem moè ukloniti preko 70% SO2.

Kompaktna, jeftina tehnologija omogu}ava ovoj elektrani sa ograni~enim prosto-

rom kori{}ewe ugqa sa visokim sadràjem sumpora [30].

U SAD su izvedena tri razli~ita postrojewa sa sistemom za ubacivawe

sorbenta u kanal. I ovi sistemi za odsumporavawe su pogodni za postrojewa sa

ograni~enim prostorom. Umesto kre~waka, sistem se bazira na sorbentima kao {to

su kre~, kre~ sa aditivima na bazi natrijuma ili samo sorbentima od natrijuma. Kor-

poracija Bechtel je ugradila svoj sistem u elektranu Seward Sta tion od 147 MWe u

Pensilvaniji, SAD. Ovim procesom, kojim se u kanal ubacuje fino atomizirani

(raspr{eni) rastvor kre~a koji formira zonu kapqica u sredini cevovoda sme{tenu

u omotu od toplih dimnih gasova, se moè ukloniti do 50% SO2. Iz tabl. 2, a na osnovu

podataka koje je objavila ameri~ka agencija za za{titu ̀ ivotne sredine, se moè uo-

~iti efikasnost i osnovni parametri pojedinih postupaka odsumporavawa.

Poboq{ani proces ubacivawa sorbenta u kanal, tzv. Coolside proces je de-

monstriran na elektrani Ohaio Ed i son. Ovaj proces koristi kao sorbent suvi kre~ sa

aditivima na bazi natrijuma, a komora za ovlaìvawe koja se nalazi posle lokacije

ubacivawa sorbenta, obezbe|uje visoku koncentraciju vodene pare. Coolside proces

postiè efikasnost od 70% u uklawawu SO2 kori{}ewem komercijalno dostupnog

hidratisanog kre~a. Cena ulagawa u sisteme za odsumporavawe koji koriste mokri skruberski

postupak, direktno ubacivawe sorbenta u loì{te i ubacivawe sorbenta u kanal jepredstavqena u tabl. 3, za postrojewa veli~ine od 100‡500 MWe. Postrojewa koristeugaq toplotne mo}i od 27,7 MJ/kg koji sadrì 2,50% sumpora i 10,77% pepela. Cenapo~etnih tro{kova je sli~na za ugqeve koji sadrè 1,5 i 3,5% sumpora s obzirom da seveli~ina osnovne opreme mnogo ne razlikuje. Suprotno od relativne nezavisnosticene po~etnih tro{kova u odnosu na sadràj sumpora u gorivu, godi{wa nivelisanacena ($/t uklowenog SO2) koja je odraz radnog veka elektrane varira zna~ajno sapromenom sadràja sumpora. Iz ove tablice se moè uo~iti da dok cena po toni uklo-wenog SO2 opada sa porastom sadràja sumpora, ovaj pad je mnogo zna~ajniji kodmokrih postupaka odsumporavawa nego kod postupka direktnog ubacivawa sorbenta u


loì{te. Osnovni razlog za to je boqe iskori{}ewe sorbenta kod mokrih postu-paka. Analize pokazuju da su iz istog razloga postupci direktnog ubacivawa sorben-ta u loì{te prihvatqiviji za starije, mawe elektrane gde se zahtevaju promenqivevrednosti redukcije SO2 [26].

Slede}a zna~ajna stavka koja se moè uo~iti iz tablice je i vi{a cenaprocesa odsumporavawa sa ubacivawem sorbenta u kanal u odnosu na direktni postu-pak ubacivawa sorbenta u loì{te. To je zbog cene ko{tawa i odràvawa velikogkompresora potrebnog za fino raspr{ivawe kapqica suspenzije vode sa ~esticamadimnog gasa da bi oni dostigli temperaturu zasi}ewa.


Tablica 2. Pregled tehnologija odsumporavawa [31]

Tehnologija ProcesProse~naefikasnot Opis

Mokri skruberskipostupak

Kre~/kre~wak 80‡95%Primenqiv za gorivasa visokim sadràjem sumpora

Natrijum-karbonati 80‡98%5‡430 miliona Btu/h opsegprimene, visoka cena reagensa

Magnezijum-oksid//hidroksid

80‡95%Sorbent moè bitiregenerisan

Baze 90‡96%Koristi kre~ za regenerisawenatrijumovih te~nosti

Suvi sistemi saraspr{ivawem

Kre~no mleko isparavau reaktoru zaraspr{ivawe

70‡90%Primewuje se za goriva saniskim i sredwim sadràjemsumpora, daju suvi ostatak

Direktno uno{ewesorbenta u loì{te

Suvi kre~/ilihidratisani

25‡50%Mawa postrojewa (do 300 MW),za goriva sa niskim ilisredwim sadràjem sumpora

Ubacivawe sorbentau kanal iza zagreja~avazduha

Ubacivawe suvogsorbenta u kanal,ponekad u kombinacijisa vodom

25‡50%Jo{ uvek nijekomercijalno dostupan

Tablica 3. Ekonomski parametri procesa odsumporavawa

TehnologijaPo~etnaulagawa[$/kW]

Veli~inapostrojewa

[MWe]

Prose~na godi{wacena po $/t uklowenog SO2 (ugaq sa 1,5% S)

Prose~na godi{wacena po $/t uklowenog SO2 (ugaq sa 2,5% S)

Direktno uno{ewesorbenta u loì{te

80, 60,40, 25

100, 150,

250, 500

700, 600,500, 400

520, 490,480, 480

Uno{ewe sorbentau kanal iza zagreja~avazduha

120, 100,85, 60

100, 150,250, 500

800, 700,650, 450

650, 550,510, 490

Mokri skruberskipostupak

250, 190,140, 100

100, 150, 250, 500

1250, 1000,750, 600

720, 550,490, 470

Prora~uni cene redukcije emisije SO2 se me|usobno zna~ajno razlikuju. ̂ ak

i analize jedne iste tehnologije daju razli~ite rezultate. To se moè objasniti kao

efekat specifi~nosti situacije: tehni~kih ili ekonomskih uslova, lokacije termo-

elektrane, starosti termoelektrane kao i interesa investitora. U radu [32] su raz-

motrene razli~ite mogu}nosti za odsumporavawe dimnih gasova kao {to su: pret-

hodna priprema ugqa, modernizacija kotlova, prelazak na drugu tehnologiju sago-

revawa i odsumporavawe dimnih gasova. Ustanovqeno je da su cene pripreme ugqa

sli~ne cenama odsumporavawa, me|utim jedan od osnovnih faktora koji uti~u na

izbor metode za redukciju emisije SO2 je cena proizvedene energije. Upore|ivawem

prose~ne cene proizvedene energije za razli~ite opcije za uslove u SAD, tj. kori{-

}ewem ugqeva sa malim sadràjem sumpora, me{avina goriva kao i priprema ugqa se

smatraju jeftinijim u odnosu na tehnike odsumporavawa dimnih gasova za podatke iz

devedesetih godina. Jednu od najpouzdanijih procena cene ko{tawa metoda za odsum-

poravawe je izradio EPRI pri ~emu je upore|eno dvadeset osam razli~itih tehnologi-

ja odsumporavawa. Procene su ura|ene za termoelektranu od 300 MWe, koja koristi

ugaq sa 2,6% sumpora, a podaci za izabrane tehnologije su dati u tabl. 4.


Tablica 4. Tro{kovi odsumporavawa [32]

Tehnologijaodsumporavawa

Efikasnostuklawawa

SO2 [%]

Prose~na cenauklawawa SO2

[$/kW]

Ukupni tro{kovi[$/t]

(SAD 1990)

Mokri skruberi

Mokri skruberski postupak(ubrzana oksidacija)

90 216 476

Mokri skruberski postupaksa kre~wakom (sa gipsom)

90 243 476

Mokri skruberski postupak sakre~wakom (prekinutaoksidacija)

90 234 476

Mokri skruberski postupaksa dvobazi~nom kiselnom kaoaditivom

90 211 463

Mokri skruberski postupaksa magnezijumom oboga}enimkre~om kao sorbentom

90 196 421

Skruber sa suvim raspr{ivawemkoji koristi kre~ kao sorbent

90 173 439

Suvi postupak ubacivawa sorbenta

Direktno ubacivawesorbenta u loì{te

50 94 751

Ubacivawe sorbenta u kanaliza zagreja~a vazduha

50 98 768

Su{ewe sorbentau kanalu

50 83 623

LIFAC Tempella 80 239 820

Zakqu~ak

Kontrola emisije SO2 iz kotlova za sagorevawe fosilnih goriva je naglo

pove}ana u posledwih 25 godina. Zato je razvijen ~itav niz tehnologija za uklawawe

sumpornih oksida od kojih su mokri postupci odsumporavawa najefikasniji i dos-

tiù efikasnost uklawawa SO2 do 99%. Me|utim, zbog velikih po~etnih ulagawa u

ova postrojewa i velike koli~ine nastalog sekundarnog proizvoda (gips) koji se

mora dodatno tretirati, ~esto se re{ewa traè u primeni suvih postupaka odsumpo-

ravawa, samostalno, ili u razli~itim kombinacijama. U radu su prikazane karakte-

ristike i dati podaci u vezi efikasnosti i ekonomi~nosti vi{e suvih postupaka

odsumporavawa, koji primewuju sorbente na bazi kalcijuma. Pojedini suvi postupci

odsumporavawa (kao {to je postupak sa direktnim ubacivawem sorbenta u loì{te)

posebno su ekonomi~ni, odnosno ne iziskuju velika po~etna ulagawa i isplativiji su

za termoenergetska postrojewa mawih snaga. Stoga mogu biti pogodni prilikom mo-

dernizacije postoje}ih kotlova za sagorevawe ugqenog praha u ciqu produèwa rad-

nog veka postrojewa. Sa odre|enim modifikacijama, primenom suvih postupaka mo-

è se dosti}i efikasnost odsumporavawa od 80%, kao npr. sa vi{estepenim ubaciva-

wem sorbenta ({to se moè kombinovati sa vi{estepenim uno{ewem zagrejanog

vazduha i tako istovremeno posti}i i redukcija emisije azotnih okdsida). Instali-

rawem reaktora za aktivaciju neproreagovanog kalcijum-oksida kod LIFAC postupka

postiè se efikasnost odsumporavawa i do 70%.

Svaka od metoda redukcije SO2 ima prednosti i nedostatke, i nije lako na}i

tehnologiju koja }e najboqe odgovarati odre|enom termoenergetskom postrojewu.

Izbor treba zasnivati na detaqnoj analizi specifi~nih uslova rada kon- kretnog

postrojewa.

Zahvalnica

Rad je nastao kao rezultat istraìvawa na projektu „Pove}awe energetske i

ekolo{ke efikasnosti procesa u loì{tu za ugqeni prah i optimizacija izlazne

grejne povr{ine energetskog parnog kotla primenom sopstvenih softverskih

alata” ‡ TR 33018, Ministarstva prosvete i nauku Republike Srbije.

Literatura

[1] Dou, B., et al., Pre dic tion of SO2 Re moval Ef fi ciency for Wet Flue Gas Desulphurization, En -ergy Con ver sion and Man age ment, 50 (2009), 10, 2457-2553

[2] ***, Agencija za za{titu ìvotne sredine, Godi{wi izve{taj o stawu kvalitetavazduha u Republici Srbiji 2010. godine, Republika Srbija, Ministarstvo ìvotnesredine i prostornog planirawa, Beograd, 2011.

[3] Baukal, Jr. C. E., In dus trial Com bus tion Pol lu tion and Con trol, Mar cel Dekker, 2004[4] ***, Ba sic In for ma tion of SO2, EPA USA En vi ron men tal Pro tec tion Agency, Avail able:

http//www.epa.gov [Ac cessed May 09, 2012][5] Stefanovi}, G., Odsumporavawe dimnih gasova kori{}ewem lete}eg pepela kao

sorbenta, Magistarski rad, Ni{, 1994.[6] Srivastava, R. K., Jozewicz, W., Singer, C., SO2 Scrub bing Tech nol o gies: A Re view, En vi ron -

men tal Prog ress, 20 (2001), 4, 219-228[7] ***, Sorbent Iwection Sys tem for SO2 Con trol, IEA Clean Coal Cen tre, U. K., Avail able:

http://www.bepress.com/ijcre/vol6/R2 [Ac cessed June 06, 2012][8] \ukovi}, J., Bojani}, V., Aerozaga|ewe, pojam, stawe, izvori, kontrola i tehnolo{ka

re{ewa, Bawa Luka, D. P. Institut za{tite i ekologije, Bawa Luka, 2000


[9] Bab cock & Wilcox Power Gen er a tion Group, Inc., Dry Sorbent Injection Sys tems for AcidGas Con trol, Bro chures – En vi ron men tal Equip ment, USA, 2010. Avail able: http://www.bab -cock. com/prod ucts/en vi ron men tal_equip ment/so2_con trol.html, [Ac cessed: 12, Jan 2012]

[10] Cheng, J., et al., Sul fur Re moval at High Tem per a ture dur ing Coal Com bus tion in Fur naces: A Re view, Prog ress in En ergy and Com bus tion Sci ence, 29 (2003), 5, 381-405

[11] Makarytchev, S. V., Cen, C. F., Luo, Z. Y., Staged Desulphurization by Di rect SorbentIwection in Pul ver ized-Coal Boil ers, En ergy, 19 (1994), 9, 947-956

[12] Li, S., et. al., NOx and SOx Emis sions of a High Sul fur Self-Re ten tion Coal Dur ing Air StagedCom bus tion, Fuel, 87 (2008), 6, 723-731

[13] Brodnax, L. F., Ro chelle, G. T., Prep a ra tion of Cal cium Sil i cate Ab sor bent from Iron BlastFur nace Slag, Jour nal of Air and Waste Man age ment As so ci a tion 50, (2000), 1655-1662

[14] Liu, C.-F., Shih, S.-M., Ki net ics of the Re ac tion of Iron Blast Fur nace Slag/Hy drated LimeSorbents with SO2 at Low Tem per a tures: Ef fects of Sorbent Prep a ra tion Con di tions, Chem i -cal En gi neer ing Sci ence, 59 (2004), 1001-1008

[15] Liu, H., Okazaki, K., Si mul ta neous Easy CO2 Re cov ery and Dras tic Re duc tion of SOx andNOx in O2/CO2 Coal Com bus tion with Heat Recirculation, Fuel, 82 (2003), 11, 1427-1436

[16] Wei, S., H., et al., High Sur face Area Cal cium Car bon ate> Pore Struc tural Prop er ties and Sul -fa tion Char ac ter is tics, Ind. Eng. Chem. Res., 36 (1997), 6, 2141-2148

[17] Adanez, J., et al., Study of Mod i fied Cal cium Hy drox ides for En hanc ing SO2 Re moval dur ingSorbent In jec tion in Pulveriyed Coal Boil ers, Fuel, 76 (1997), 3, 257-265

[18] Damle, A. S., Mod el ing a Fur nace Sorbent Slurry Injection Pro cess, J Air Waste Man age Assoc, 44 (1994), 1, 21-30

[19] Garea, A., et al., Fly Ash/Cal cium Hy drox ide Mix tures for SO2 Re moval: Struc tural Prop er -ties and Max i mum Yield, Chem. Eng. J., 66 (1997), 3, 171-179

[20] Nel son, S. J, Zhang, C., Low-Cap i tal Cost Tech nol ogy for SO2 Con trol, Pro ceed ings, Air andWaste Manegement As so ci a tion’s An nual Meet ing and Exibition, vol. 11, Pitts burgh, Penn.,USA, 1996

[21] Sadakata, M., et al., Re moval of SO2 from Flue Gas Us ing Ultrafine CaO Par ti cles, J Chem.Eng. Jpn., 27 (1994), 4, 550-552

[22] Muzio, L. J., Offen, G. R., As sess ment of Dry Sorbent Emis sion Con trol Tech nol o gies Part I:Fun da men tal Pro cesses, J Air Pol lu tion Con trol Assoc, 37 (1987), 5, 642-654

[23] ***, LIFAC North Amer ica, Pro ject Per for mance Sum mary, Clean Coal Tech nol ogy Dem on -stra tion Pro gram, 2004

[24] ***, Gen eral Elec tric Com pany, En vi ron men tal Prod ucts, Avail able:http://www.geenergy.com, [Ac cessed 08, May 2012]

[25] Srivastava, R. K., Con trol ling SO2 Emis sions: A Re view of Tech nol o gies, U. S. En vi ron men tal Pro tec tion Agency, Wash ing ton DC, 2000

[26] Nolan, P. S., Flue Gas Desulfurization Tech nol o gies for Coal-Fired Power Plants, Pro ceed ings, Coal-Tech In ter na tional Con fer ence, Novembar 13-14, 2000, Ja karta, In do ne sia

[27] Bielawski, G., Der, V. K., McDowell, J. C., Clean Coal Tech nol ogy Re ports: Pro ject Per for -mance Sum ma ries, Post Pro ject As sess ments & Top i cal Re ports, En vi ron men tal Con trol De -vices, Pro ject Fact Sheets, 2003, Avail able on line: http:// www.netl.doe.gov [Ac cessed: March04, 2012]

[28] ***, Bab cock & Wilcox Power Gen er a tion Group, Inc. Bro chures – En vi ron men tal Equip -ment, Spray Dry Flue Gas Desulphurization Sys tems, 2009, USA, Avail able:http://www.bab cock. com/prod ucts/en vi ron men tal_equip ment/so2_con trol.html.,[Ac cessed: Jan u ary 09, 2012]

[29] Singer, J. G., Com bus tion Fos sil Power, a Ref er ence Book on Fuel Burn ing and Steam Gen er -a tion, Com bus tion En gi neer ing, Inc., Windsor, Conn., USA, 1991, 15-32***, U.S. De part ment of En ergy, Clean Coal Tech nol ogy, The In vest ment Pays Off, A Re portby the As sis tant Sec re tary for Fos sil En ergy, No vem ber 1999., Avail able on line:http://www.fos sil.en ergy.gov [Ac cessed Dec.12 2011.]

[30] ***, U. S. De part ment of En ergy, Clean Coal Tech nol ogy, The In vest ment Pays Off, A Re port by the As sis tant Sec re tary for Fos sil En ergy, No vem ber 1999, Avail able on line: http:// www.fos sil.en ergy.gov [Ac cessed De cem ber 12, 2011]

[31] ***, AP-42, Vol. I, CH1: Ex ter nal Com bus tion Sources, U.S. En vi ron men tal Pro tec tionAgency, Avail able: http//www.epa.gov/ttn

[32] Kaminski, J., Tech nol o gies and Costs of SO2 Emis sions Re duc tion for the En ergy Sec tor, Ap -plied En ergy, 75 (2003), 3, 165-172


Ab stract

Dry Flue Gas Desulfurization Tech nol o gies forPul ver ized Coal Fired Boil ersChar ac ter is tics and Ef fi ciency

by

Andrijana D. STOJANOVI]*, Srdjan V. BELO[EVI],Branislav D. STANKOVI], Nenad Dj. CRNOMARKOVI],Ivan D. TOMANOVI], and Vladi mir B. BELJANSKI

Lab o ra tory for Ther mal En gi neer ing and En ergy,Vin~a In sti tute of Nu clear Sci ences, Uni ver sity of Bel grade, Bel grade, Ser bia

Re cent years have seen an in crease world wide in the aware ness of en vi ron men -tal pro tec tion, while its dra matic growth is fore cast as well. Such pre dic tions high light theim por tance of re duc ing the im pact of pol lut ants, con tam i nat ing air, wa ter, and soil. Anarea of par tic u lar im por tance re gards the po ten tials for acid rain for ma tion due to theemis sion of sul fur di ox ide and ni tro gen ox ides dur ing the com bus tion of fos sil fu els. Par -tic u larly no ta ble are the pro grams of flue gas desulfurization that have been car ried out in power plants world wide for de cades now and also in our coun try in re cent years. Dry fluegas desulfurization tech nol o gies for pul ver ized coal fired boil ers are de scribed in this pa -per, such as: fur nace di rect sorbent injection, duct sorbent injection, ap pli ca tion of ac ti va -tion re ac tor and lime spray dry ing pro cess. In ad di tion, the eco nomic as pects and theef fi ciency of sul fur di ox ide emis sion re duc tion are spe cially con sid ered in the pa per. Thechoice of desulfurization method is of ten based on the com par i son of costs as so ci atedwith the ap pli ca tion of a par tic u lar method. There fore, for the tech nol o gies de scribed,the av er age emis sion re duc tion costs are pre sented and the most ef fec tive meth ods arehigh lighted.

Key words: dry desulfurization tech nol o gies, ef fi ciency, sorbent, boiler, pul ver ized coal

* Cor re spond ing au thor: e-mail: [email protected]

Rad primqen: 2. aprila 2012.Red revidiran: 11. jula 2012.Rad prihva}en: 13. jula 2012.


Documents

Suvi postupci odsumporavawa dimnih gasova kotlova na …termotehnika.vinca.rs/content/...dimnih-gasova-kotlova-na-spraseni... · dimnih gasova kotlova na spra{eni ugaq Karakteristike