Přestavba EO na látkový filtr v Elektrárně Tušimice
Velké spalovací hnědouhelné zdroje Skupiny ČEZ jsou postaveny před velkou výzvu plnění emisních limitů rtuti (Hg) ve spalinách, které jsou stanoveny Prováděcím rozhodnutím Komise (EU) 2017/1442 s účinností od 17.8.2021. Z tohoto důvodu je potřeba realizovat opatření, která sníží koncentraci rtuti ve spalinách na požadovanou úroveň. Od 17. srpna tohoto roku by měla všechna stávající velká spalovací zařízení o jmenovitém tepelném příkonu nad 50 MWt plnit emisní limity spojené s aplikací nejlepších dostupných technik (BAT). Převážná většina našich klasických zdrojů spaluje hnědé uhlí a jejich tepelný výkon převyšuje 300 MWt, platí tedy pro ně limit 7μg/Nm3.
I přes skutečnost, že problematika odloučení rtuti je známá ze spaloven odpadů a například ve Spojených státech jsou opatření k redukci Hg ze spalin využívány již 10 let, nelze tyto technologie jednoduše implementovat a využít na našich zdrojích. Na začátku byl proto sestaven v rámci divize Klasické energetiky multiprofesní tým složený ze specialistů inženýringu, integrované prevence a omezování znečišťování, asset managementu a zástupců jednotlivých elektráren či dceřiných společností. Okamžitě byla nastartována úzká spolupráce s domácími i zahraničními univerzitami, mezinárodními organizacemi jako je VGB nebo EPRI, inženýrskými společnostmi a výrobci se zkušeností v tomto oboru. V neposlední řadě bylo nutné také zmapovat trh z pohledu komerční dostupnosti možných technologií. První testy, které byly provedeny již v roce 2017 nás velice tvrdě přesvědčily o tom, že stojíme před obrovskou výzvou.
Koncentrace Hg ve spalinách odpovídají vlastnostem paliva a použité technologii v rámci spalování a čištění spalin. S ohledem na vysoké obsahy Hg a další vlastnosti paliva máme v porovnání s ostatními zahraničními výrobci elektrické energie výrazně horší podmínky.
Výsledky ukazovali na nízké účinnosti testovaných způsobů redukce Hg nebo docházelo k zhoršení dalších emisních koncentrací, konkrétně tuhých znečišťujících látek. Od samého začátku bylo zřejmé, že budeme muset posuzovat vhodné kombinace technologií, a to pro každý zdroj individuálně.
Mapování emise Hg od odběrových metod až po online měření
Samostatnou kapitolou je také povinnost kontinuálního měření (KM) Hg u zdrojů ≥ 300 MWt, Od roku 2016 bylo postupně na zdrojích ≥ 300 MWt provedeno zkušební mobilní kontinuální měření analyzátorem Durag-Verewa, model HM 1400 TMX. Toto měření prokázalo vysoký rozptyl emise Hg na jednotlivých zdrojích a to od 15 do 50 μg/Nm3. Při realizovaných kontinuálních měření byly u některých zařízení provedeny i manuální jednorázové měření odběrovou metodou dle ČS EN 13211 a i zde byl zjištěn rozdíl mezi výsledky z KM a touto jednorázovou metodou 3-5 μg/Nm3. Pro trvalé umístění testovacího analyzátoru KM Hg na odsířených spalinách byla vybrána Elektrárna Tušimice.
Na základě výsledků tohoto testování bylo na všech zdrojích ≥ 300 MWt v rámci Skupiny ČEZ realizováno na přelomu roku 2019 a v průběhu roku 2020 kontinuální měření emise Hg. Současné hodnoty z instalovaných kontinuálních měření potvrzují dříve zjištěnou fluktuaci koncentrací Hg v rozmezí 15 - 50 μg/Nm3. Dlouhodobé online měření emisí Hg nám dokazuje, že emise rtuti se těžko predikují v závislosti na obvykle měřených parametrech paliva.
Testovací fáze
Každý zdroj bylo nezbytné detailně analyzovat a zhodnotit kombinace technologií s vysokou účinností odstranění rtuti ze spalin. Pro ověření nejvhodnější technologie stále probíhá rozsáhlý program testování, který byl spuštěn v roce 2017, při kterém byly ověřeny stovky kombinací sorbentů a jednotlivých technik na snižování emisí.
V roce 2019 bylo zahájeno testování s vlastní mobilní dávkovací jednotkou, která nám rozšířila možnosti dále kombinovat jednotlivé sorbenty, umožnila provádět dlouhodobé testování a výrazně snížila náklady na testování.
Důležitými faktory pro zhodnocení řešení pro tyto zdroje byly kromě provozních a investiční nákladů také zachování využitelnosti vedlejších energetických produktů ve stavebnictví. Přestali jsme se zaměřovat na záchyt Hg v absorbéru, když po celé řadě zkoušek s oxidanty a precipitanty jsme identifikovali riziko překročení limitních hodnot Hg pro využití energosádrovce.
Bylo přihlédnuto i k dalším aspektům, jako je spolehlivost a disponibilita zařízení, zachování bilancí a prodeje VEP, zamezení produkce odpadů a zvýšení produkce odpadních vod nebo další možné zpřísnění emisních limitů v této dekádě. Nezastavěním vnitřních prostorů absorbérů nám také zůstává možnost řešit případné zpřísnění limitů SO2, Hg, případně dalších těžkých kovů, využitím SPC modulů. Zásadní bylo navrhnout vhodné opatření pro jednotlivá zařízení. Na základě konfigurace zařízení byly rozděleny zdroje ve Skupině ČEZ do 4 skupin.
I - První úspěchy na fluidních kotlích
První takovouto skupinou jsou fluidní kotle v Poříčí, Ledvicích a Hodoníně (zde je uhlí využíváno pouze omezenou dobu v topné sezoně), kde byly provedeny jedny z prvních testů, při kterých byly dosaženy emise Hg splňující požadovaný limit. Tento rozdíl oproti ostatním zdrojům je dán teplotami ve spalovacím procesu (porozita popílku), setrváním částic v procesu a do určité míry také vlivem dávkování vápence CaCO3 do fluidní vrstvy.
Vzhledem k těmto podmínkám je výhodné pro technologii fluidní kotlů zvýšit koncentraci Cl ve spalinách. Ekonomicky nejvýhodnější variantou pro takovéto zvýšení koncentrace Cl je přimíchání černého uhlí do procesu spalování. Množství takto přimíchaného paliva se pohybuje od 0,5 – 5 %. Přesné stanovení dávkovaného množství černého uhlí bude předmětem připravovaných optimalizačních testů v tomto roce po ukončení realizace stavebních a technologických úprav.
II - Inspirace za oceánem
Další skupinou je konfigurace zařízení s polosuchou metodou odsíření, v našem případě se jedná o Teplárnu Trmice. Zde jsme se částečně mohli inspirovat opatřeními realizovanými v USA, kde je běžná konfigurace polosuchého odsíření a látkových filtrů. Technologie čištění spalin této lokality poskytuje výrazně vhodnější podmínky v porovnání s mokrým odsířením. V Trmicích je za polosuchým odsířením instalován látkový filtr, jenž nám poskytuje dlouhou dobu setrvání částic sorbentu. Teplota spalin se pohybuje pod 100 °C, což výrazně zvyšuje účinnost odloučení Hg. Důležité je také zmínit, že část produktu odsíření zachyceného látkovým filtrem je recirkulována zpět do atomizéru, což opětovně zvyšuje účinnost odloučení Hg, jelikož sorbent společně s produktem odsíření se částečně vrací zpět do procesu.
V Trmicích byly provedeny dvě velké testovací kampaně pro stanovení účinnosti jednotlivých sorbentů. V rámci testů byly zkoušeny sorbenty typu Sorbacal, Sorbacal společně s aktivním uhlím, syntetické zeolity, neobohacené aktivní uhlí a aktivní uhlí obohacené halogenidy. Pro potvrzení správnosti tohoto řešení byl proveden dlouhodobý test dávkování obohaceného aktivního uhlí vlastní mobilní dávkovací jednotkou. Test dávkování obohaceného aktivního uhlí byl proveden vlastní mobilní dávkovací jednotkou. V současnosti již v Trmicích probíhá výstavba stabilního dávkovacího zařízení v koordinaci s projekty DeNOx a DeSOx.
III – Jedinečná příležitost využití patentované technologie SPC modulů
Během testování a posuzování vhodnosti možných variant jsme ověřovali mimo jiné technologii instalace SPC modulů (Sorbent polymer composit). Technologie modulů SPC využívá chemisorpce Hg na membráně, jenž je v tomto případě dodávaná od americké společnosti GORE. Pro ověření všech deklarovaných parametrů výrobce modulů bylo rozhodnuto o instalaci pilotního projektu v lokalitě Mělník I. V rámci tohoto projektu vznikla jedinečná příležitost využití technologie již nevyužívaného starého odsíření, a tedy využití původního absorbéru, který byl konstrukčně upraven na externí reaktor.
Systém je založen na modulovém uspořádání vrstev v externím reaktoru. Membrána je obtékána proudem spalin a rtuť je zjednodušeně řečeno vázána v polymerové membráně. Jedná se o pasivní prvek, který pracuje nezávisle na parametrech zařízení, řízena je zde pouze technologie oplachu modulů, tato technologie neovlivňuje kvalitu vedlejších energetických produktů. Dle možností provedení, ať už v externím reaktoru či stávajícím absorbéru, je nutné počítat s náklady na kompletní přeztužení absorbérů a úprav vnitřního prostoru nad sprchovými rovinami. Zkušební provoz tohoto zařízení byl zahájen v závěru roku 2020, v současné chvíli probíhá dlouhodobé testování a ověřování parametrů této technologie.
IV - Výzkum na „vlajkových lodích“
Na našich „vlajkových lodích“, tedy pánevních elektrárnách Ledvice, Tušimice a Prunéřov není možné řešit problematiku demerkurizace samostatně, ale je nezbytné ji posuzovat mimo jiné ve vazbě na záchyt tuhých znečisťujících látek. Z pohledu výstupní emise Hg jsou důležitými faktory koncentrace rtuti v palivu a podíl oxidované formy Hg ve spalinách, která pro naše podmínky při spalování hnědého uhlí činí cca 30 %. Zásadní vliv na oxidaci volné rtuti má koncentrace chloridů a dalších halogenidů v palivu. V palivech pánevních elektráren (DNT a PS2 DB) se pohybuje průměrná koncentrace Hg 0,20 – 0,22 mg/kg v sušině, přičemž průměrná koncentrace Cl je pouze ve výši 0,0074 - 0,0088 %. S ohledem na parametry paliva je nezbytné využít dodatečné technologie s vysokou účinností redukce Hg. Po rozsáhlém testování bylo rozhodnuto pro tyto zdroje o instalaci kombinace technologií látkové filtrace a dávkování halogenizovaného aktivního uhlí do spalin před látkový filtr.
Základním principem je, že halogenizované aktivní uhlí zajistí oxidaci elementární rtuti Hg0 na oxidovanou Hg2+ a následnou sorpci. Delší setrvání částic sorbentu na povrchu filtračních elementů snižuje spotřebu aktivního uhlí. Aktivní uhlí bývá obohaceno zejména bromem či jeho sloučeninami nebo také jodem. Toto řešení vykazuje až 4x nižší spotřebu aktivního uhlí oproti jeho dávkování před stávající elektroodlučovače, a to bez rizika zvýšení emisí TZL.
Dostatečná účinnost záchytu rtuti aktivním uhlím na tkanině byla potvrzena provozními zkouškami. Protože v rámci Skupiny ČEZ nedisponujeme kombinací technologií tkaninových filtrů na neodsířených spalinách s mokrým odsířením, vycházejí závěry pro toto řešení z výsledků zkoušek provedených našimi specialisty na zdrojích mimo Skupinu ČEZ.
První instalací této kombinace je nyní realizované zařízení v elektrárně v Tušimicích, kde probíhá rekonstrukce původních třísekcových elektrostatických odlučovačů na hadicový látkový filtr s vysokotlakou regenerací filtračních hadic s pulzním proplachem. Jsme přesvědčeni, že navržené řešení zajistí plnění budoucího limitu BAT.
Ekonomická a časová náročnost
Hlavně pro naše pánevní elektrárny Ledvice, Tušimice a Prunéřov jsme byli postaveni před obrovskou výzvu, a to nejen z důvodu jednotlivých nízkých účinností tradičních technologií redukce Hg, ale také z pohledu termínů. Uvědomíme-li si, kolik času je potřeba u takto investičně náročných akcí na obchodní zajištění a následnou realizaci, je doba na nalezení optimálního řešení výrazně zkrácena.
Jelikož není možné zajistit veškerá opatření ke snížení emisí Hg v roce 2021, jsou pro některé zdroje Skupiny ČEZ podány žádosti o výjimky z úrovní emisí stanovených v závěrech o BAT pro emise Hg. Hlavním důvodem podání žádostí o výjimku je technická charakteristika zařízení, která ve stávající konfiguraci vylučuje dosažení BAT limitu. Veškeré navržené úpravy výrobních technologií mají úzkou spojitost s plánovanými technologickými odstávkami a generálními opravami bloků, dle kterých je připraven harmonogram realizace jednotlivých investic, výrobní kapacity a v neposlední řadě personální zajištění.
Připravované projekty jsou velmi nákladné. Pro blok o výkonu 200 MWe jsou odhadované investiční náklady více než 300 mil. Kč. Provozní náklady se předpokládají na úrovni 50 - 60 mil. Kč/rok pro jeden blok. Dále jsou tyto projekty spojeny s odstávkou zdroje v délce přibližně 4 měsíců a z toho vyplývající nevýrobou.
Závěr
Díky spolupráci v rámci multiprofesního týmu v ČEZ se podařilo připravit opatření pro snížení emisí rtuti pro veškeré zdroje v rámci Skupiny ČEZ. Již byly dokončeny projekty v Poříčí a Hodoníně. V letošním roce budou realizována další opatření, a to na fluidním kotli v Ledvicích, v Tušimicích na blocích B21 a B22, dokončována jsou opatření teplárně v Trmicích. Ekologizace dalších zdrojů na nové limity BAT jsou realizačně plánovány až do roku 2024. Po uvedení do provozu dojde k zásadnímu snížení emisí rtuti a TZL a jejich dopadů na životní prostředí.
I přes skutečnost, že jsou opatření připraveny pro všechny zdroje, dále pokračujeme v optimalizační fázi s cílem snížit investiční i provozní náklady na dosažení emisních limitů.
Ing. Tůma Patrik,
Inženýring Klasických elektráren,
ČEZ, a.s.
Použitá literatura a podklady:
- Prováděcí rozhodnutí Komise (EU) 2017/1442
- Expertní rešerše dostupných technologií určených k odstranění Hg ze spalin zdrojů spalujících hnědé a černé uhlí, zpracoval Ing. Lukáš Pilař, Ph.D, Ing. Pavel Skopec, Doc. Ing. Tomáš Dlouhý, CSc, 08/2018
- Measurement of mercury emissions in the flue gas after the Clairion Hg Removal unit Clairion, 02/2021
