Redukcja kwaśnych gazów nieorganicznych
Do kwaśnych gazów występujących w spalinach zaliczamy tlenki siarki SO2, kwas chlorowodorowy (HCl) oraz kwas fluorowodorowy (HF).
Obecnie znane jest wiele różnych technologii oczyszczania spalin. Większość wywodzi się z technologii odsiarczania. Odsiarczanie spalin stosowane jest od lat w przemyśle energetycznym. Ze względu na stosowane odczynniki możemy wyróżnić: odsiarczanie spalin suche, półsuche oraz mokre.
Metody suche oczyszczania spalin polegają na dodaniu do komory paleniskowej sorbentów alkalicznych, które wejdą w reakcję z kwasowymi składnikami spalin. Jako sorbenty stosuje się węglan wapnia CaCO3, tlenek wapnia CaO lub wodorotlenek wapnia Ca(OH)2.W zależności od zastosowanego sorbentu w komorze paleniskowej następują reakcje:
Reakcja 1 występuje gdy jako sorbent zastosujemy CaCO3. Reakcja 2 , 3 i 4 występuje w przypadku zastosowania jako sorbentu CaO.
W przypadku zastosowania do oczyszczania spalin Ca(OH)2 zachodzą reakcje:
Odsiarczanie spalin przeprowadzone tą metodą jest najprostszym sposobem redukcji zanieczyszczeń gdyż nie wymaga stosowania skomplikowanych urządzeń. Sorbenty stosowane w tej metodzie są łatwo dostępne oraz stosunkowo tanie. Trudności nie sprawia również zagospodarowanie powstałych w wyniku reakcji chemicznej odpadów. Przy zastosowaniu węglanu wapnia CaCO3 jako sorbentu, w komorze paleniskowej należy utrzymywać temperaturę na poziomie minimum 1000oC. Przy niższych temperaturach nie nastąpi rozkład węglanu wapnia na tlenek wapnia i dwutlenek węgla. Problem ten nie występuje w przypadku stosowania jako sorbentu wodorotlenku wapnia lub tlenku wapnia. Oczyszczanie i odsiarczanie spalin przy wykorzystaniu tej metody uzyskuje się w kotłach fluidalnych gdzie istnieje możliwość precyzyjnego wymieszania sorbentów, paliwa i spalin. Główną wadą przedstawionej metody jest jej skuteczność. W zależności od warunków panujących w kotle oraz nadmiaru użytego sorbentu uzyskuje się wydajność redukcji SO2 na poziomie 20-60% dla węglanu wapnia oraz do 80% w przypadku zastosowania jako sorbentu wodorotlenku wapnia. Opisana metoda jest mało skuteczna w przypadku usuwanie ze spalin kwasów: HCl oraz HF.
Oczyszczanie i odsiarczanie spalin metodą półsuchą polega na dodaniu sorbentów do strumienia spalin opuszczających kocioł. W przypadku stosowania metody półsuchej kluczowe znaczenie mają temperatura oraz wilgotność spalin. Wraz ze zmniejszeniem się temperatury oraz wzrostem wilgotności spalin rośnie wydajność reakcji. W celu dodatkowego ochłodzenia spalin oraz zwiększenia wydajności cieplnej instalacji często za kotłem głównym montuje się dodatkowy odzysk ciepła. Warto również wprowadzić do instalacji dysze zraszające, które mogą dochłodzić oraz nawilżyć spaliny. Sorbentami stosowanymi w metodzie półsuchej są CaO, Ca(OH)2, NaHCO3. Często sorbenty alkaliczne miesza się dodatkowo z pylistym węglem aktywnym, lub prowadzi się osobny wtrysk węgla aktywnego w celu usunięcia ze spalin lotnych związków organicznych. Odsiarczanie spalin z wykorzystaniem metody półsuchej może spowodować znaczne zapylenie spalin, co wymusza zastosowanie filtrów o wysokiej sprawności. Dodatkowo instalacja musi zostać wyposażona w odpowiednie dozowniki sorbentów, co podnosi koszty inwestycyjne.
Odsiarczanie spalin metodą półsuchą to różne warianty. W niektórych przypadkach spaliny zrasza się po wprowadzeniu sorbentów, a w innych przed wprowadzeniem sorbentów. Znane są również technologie, w których zamiast zraszania spalin prowadzi się nawilżenie sorbentu przed wtryskiem. Różne są również wymogi dotyczące optymalnej temperatury prowadzenia procesu, która jest utrzymywana na poziomie powyżej 100oC aby nie dopuścić do kondensacji wody ze spalin.
Rys 1. Schemat instalacji oczyszczania spalin metodą półsuchą
Oczyszczanie i odsiarczanie spalin za pomocą metody półsuchej ma wiele zalet. Przede wszystkim charakteryzuje się wyższą skutecznością niż w przypadku metody suchej. Zwiększona sprawność pozwala również na stosowanie mniejszej ilości reagentów, co obniża koszty eksploatacji instalacji. Podobnie jak w metodzie suchej również w przypadku stosowania metody półsuchej zagospodarowanie powstałych podczas oczyszczania spalin produktów reakcji nie stanowi problemu. Dużą zaletą metody półsuchej jest możliwość wprowadzenia do spalin oprócz alkalicznych sorbentów również węgla aktywnego, co pozwala na jednoczesne usuwanie kwasów nieorganicznych jak i lotnych związków organicznych.
Odsiarczanie spalin za pomocą tej metody ma jednak również wady. Spotykamy się bowiem z często niewystarczającą sprawnością procesu, która oczywiście jest różna dla różnych wariantów opisanego sposobu oczyszczania spalin. Z przeprowadzonych badań [2] wynika, że skuteczność usuwania SO2 wynosi ok 83% podczas gdy skuteczność usuwania HCl oraz HF wynosi odpowiednio 35% i 23,3%, co w przypadku termicznego przekształcania paliw typu RDF może okazać się niewystarczające.
Oczyszczanie i odsiarczanie spalin za pomocą metody mokrej polega na płukaniu spalin wodnym roztworem wodorotlenku wapnia lub sodu. Proces płukania prowadzi się w kolumnach absorpcyjnych. Wyróżniamy kolumny absorpcyjne z wypełnieniem lub płuczki bez wypełnienia. W przypadku stosowania wodorotlenku wapnia w charakterze reagenta, ze względu na jego niską rozpuszczalność oraz obecność siarczanu wapnia, który powstaje podczas oczyszczania spalin, należy stosować płuczki bez wypełnienia. W przypadku stosowania wodorotlenku sodu można stosować kolumny absorpcyjne z wypełnieniem. Zastosowanie odpowiednich kształtek stanowiących wypełnienie płuczek pozwala na zwiększenie powierzchni kontaktu cieczy i spalin, co zwiększa wydajność reakcji oraz pozwala na stosowanie mniejszych gabarytowo urządzeń. Często odsiarczanie spalin tą metodą wymusza znaczne schłodzenie strumienia gazów przed ich płukaniem. W tym celu należy prowadzić dodatkowe odzyski ciepła.
Rys 2. Schemat instalacji oczyszczania spalin metodą mokrą
Odsiarczanie spalin metodą mokrą cechuje się bardzo wysoką skutecznością. W przypadku stosowania reagenta - wodorotlenku sodu, skuteczność usuwania SO2 wynosi 99%, a skuteczność usuwania HCl i HF jest wystarczająca do spełnienia norm emisji. Jak udowadniają badania emisji zanieczyszczeń emitowanych przez spalarnie odpadów medycznych, [3] z badanych instalacji, tylko te wyposażone w mokry system oczyszczania spalin spełniają normy emisji.
Odsiarczanie spalin za pomocą mokrych metod ma również swoje wady, a należą do nich wysokie koszty inwestycyjne oraz eksploatacyjne. Systemy tego typu składają się z dużej liczby urządzeń oraz instalacji rurowych, co podnosi koszty inwestycji. Problemem mogą okazać się również koszty odczynników, które są wyższe niż w przypadku sorbentów stosowanych w metodzie suchej i półsuchej. Problematyczna jest również utylizacja odpadów powstałych w wyniku oczyszczania spalin ponieważ w procesie absorpcji powstają ścieki o dużym stopniu zasolenia, które wymagają dodatkowego oczyszczania.
Oczyszczanie spalin może odbywać się jeszcze innymi metodami niż te, które przedstawiliśmy powyżej. Jedną z ciekawszych alternatyw jest metoda hybrydowa polegająca na połączeniu metody suchej oraz metody mokrej. Dodanie sorbentu do komory paleniskowej nie podnosi kosztów inwestycyjnych instalacji, a pozwala na zmniejszenie zużycia reagentów stosowanych w instalacji mokrego oczyszczania spalin, co obniża koszty eksploatacyjne. Jednoczesne stosowanie metody mokrej gwarantuje spełnienie norm emisji HCl i HF.
Doświadczenia przeprowadzone na Prototypowej Instalacji Termicznego Przekształcania Odpadów wybudowanej przez ENERGO-SPAW wyposażonej w system oczyszczania spalin składający się z filtra workowego, wymiennika ciepła powietrze/spaliny, kolumny absorpcyjnej kwaśnej, kolumny absorpcyjnej zasadowej oraz filtra węglowego wykazały bardzo dużą skuteczność metody mokrej w usuwaniu ze spalin kwaśnych gazów SO2, HCl, HF. Zarówno dla paliwa alternatywnego typu RDF jak i dla mączki mięsno-kostnej bez trudu udało się osiągnąć stężenia w spalinach SO2, HCl, HF spełniające normy emisji ujęte w tabeli 1.
Rys 3. Mokry system oczyszczania spalin ENERGO-SPAW. Od lewej: filtr workowy, wymiennik ciepła spaliny/powietrze, kolumna absorpcyjna kwaśna, kolumna absorpcyjna zasadowa, filtr węglowy.
LITERATURA
Opracował:
Krzysztof Pittner – inżynier projektant systemów termicznej utylizacji odpadów, odzysku ciepła i oczyszczania spalin.
ENERGO-SPAW, styczeń 2014 r.