Problematika snižovaní kyselých složek ze spalin vzniklých po spalování či spoluspalování alternativních paliv typu RDF

Ilustrační foto (zdroj: Pixabay.com) Ilustrační foto (zdroj: Pixabay.com)

Právní předpisy EU vztahující se na LCP, v poslední době konkrétně závěry o BAT (viz prováděcí rozhodnutí Komise (EU) 2017/1442 ze dne 31. července 2017), vedou k nutnosti nového pohledu na komplexní řešení problematiky použitých technologií a s tím spojených výzkumných a vývojových aktivit pro využívání pevných fosilních paliv, a také alternativních paliv jako RDF. Tyto nové předpisy stanovují nižší emisní limity SO2, NOx, tuhých znečišťujících látek (TZL), CO a stanoví nové emisní limity pro koncentrace HF, HCl, Hg a dalších složek ve spalinách, které by měli platit od roku 2021.

Předkládaný příspěvek je zaměřený na problematiku snížení kyselých složek obsažených ve spalinách po spálení mixu paliv složeném z RDF, biomasy, sušených hygienizovaných kalů z ČOV, která byla řešena v rámci dílčího balíčku výzkumného projektu Národního centra pro energetiku. Jedná se o alternativní paliva, které je možné energeticky využít, ale je také nutné optimalizovat známé metody čištění spalin pro vyšší i nižší koncentraci kyselých složek spalin. Řešení problematiky energetického využití daných alternativních paliv je důležité také pro připravovanou zásadní změnu palivové základny v teplárenství. Závěrem článek řeší i koncepci celé technologie čištění spalin.

Úvod

Převažující podíl tepla pro komunální i průmyslové použití je v současné době vyráběn v parních teplárnách, které spalují domácí hnědé uhlí. Stanovením ekologických limitů, které omezují jeho těžbu, vyvstává otázka, jak v blízké budoucnosti nahradit takto vzniklý propad ve zdrojích primární energie, aniž by došlo k výraznému zdražení tepla, které by se promítlo do zvýšení cen jak průmyslových výrobků, tak i tepla pro domácnosti. Paralelně s tímto problémem je řešena neutěšená situace v odpadovém hospodářství našeho státu, kdy převážná část komunálního odpadu končí na skládkách, přestože se jedná o energeticky cennou surovinu, jejímž spalováním lze vyrábět teplo i elektřinu. Přímé spalování odpadů je však možné pouze v zařízeních pro energetické využití odpadů (ZEVO), které jsou vybaveny jak odpovídajícím spalovacím zařízením, tak i zařízením pro čištění spalin. V souvislosti s pokročilým způsobem třídění a úpravy odpadů se v poslední době na trhu objevil nový druh paliva označovaný RDF (z angl.: Refuse Derived Fuel), které je získáváno z komunálních odpadů jako produkt primárního třídění odpadu, a rovněž i jako produkt mechanicko-biologické úpravy odpadu (tzv. MBÚ, kterou lze získat cca 25-50 % RDF ze vstupní suroviny), přičemž splňuje určitá kvalitativní kritéria rozměrová, energetická i ekologická. Pro termín RDF však zatím neexistuje jednotná, legislativně daná definice, v různých zemích Evropy platí rovněž různá kvalitativní kritéria. RDF je možné spalovat v kotlích speciálně k tomu uzpůsobených, současně se však nabízí i možnost spoluspalování ve stávajících uhelných kotlích. Rostoucí produkce RDF opodstatňuje zájem o jeho využití i v oblasti velké energetiky a teplárenství.

Při využití RDF je nutné také řešit ochranu životního prostředí, která je zaměřena především na oblasti emisí do ovzduší, respektive následně vody a půdy. Důvodem je skutečnost, že emise škodlivin vypouštěné do ovzduší jsou unášeny větrem do okolí a kontaminují tak životní prostředí bez ohledu na regionální hranice a typ prostředí. Proto tak i EU svoji snahu o ochranu životního prostředí primárně zaměřuje na omezení/snížení emisí vypouštěných do ovzduší formou legislativních návrhů/stanovením maximálních limitů.

Naproti tomu tuhé odpady bývají většinou řešeny na úrovni národních zákonů a vyhlášek.

V EU bylo vydáno prováděcí rozhodnutí Komise (EU) 2017/1442, kterým se stanoví závěry o nejlepších dostupných technikách (1), a které zpřísňují podmínky pro stanovení emisních limitů pro SO2, NOx, TZL a dalších látek. Alternativní paliva typu RDF je nutné brát jako odpad a pro daný materiál platí emisní limity určené pro spalování či spoluspalování. pevnými fosilními palivy Pro spoluspalování odpadů jsou pro emise SO2, NOx, TZL, HCl, HF a Hg stanoveny emisní limity jako pro spalování pevných paliv jednak uhlí či biomasy. Ale pro další polutanty jsou emisní limity uvedeny v Tab. 1.

Dle prováděcího rozhodnutí komise (EU) 2019/2010 ze dne 12. listopadu 2019, kterým se stanoví závěry o nejlepších dostupných technikách (BAT) pro spalování odpadu podle směrnice Evropského parlamentu a Rady 2010/75/EU (oznámeno pod číslem C(2019) 7987) jsou uvedeny i nové emisní limity na spalování odpadu.

Složení daných mixů paliv

Návrh technologie snížení kyselých složek plynu byl proveden na následující mixy paliv označené jako MIX 1 a MIX 2. Uvedené mixy v Tab. 3 zahrnují paliva potenciálně dostupné jako částečná alternativa pevným fosilním palivům. Složení výše uvedených směsí paliv je uvedeno v Tab. 4.

Cílem výzkumu v dané problematice bylo zejména posoudit i využití RDF. Dle (2) jsou obvyklé hlavní parametry RDF uvedeny v následující tabulce. Složení RDF se ale může zásadně měnit, a to z důvodu využití RDF z komunálního odpadu, známé závislosti složení komunálního odpadu na ročním období. Typické parametry RDF jsou uvedeny v Tab. 5.

Je nutné upozornit, že složení RDF je velice rozdílné nejen z hlediska ročního období, ale i z hlediska místa vzniku, tedy státu, města atd. Dle (5) se na základě typu odpadu pohybuje koncentrace Pb od 2 mg/kg (sklo) až po 5000 mg/kg (baterie). Uvedená hodnota 400 mg/kg je v daných známých mezích. Dle (3) jsou hodnoty pro Hg v mezích RDF (2,0 mg/kg) vyráběným z komunálního odpadu. Jiné studie např. (4) uvádějí nižší hodnoty Hg v RDF (0,03 mg/kg). Ale celkově jsou typické parametry RDF dle (4) uvedeny v Tab. 6.

Z uvedených výsledků jde jednoznačně vidět i vysoká koncentrace Hg v RDF. Na základě orientačního výpočtu je možné očekávat v závislosti na teplotě spalin koncentraci HgT ve spalinách více jak 100 μg/m3N. Při spalování pevných fosilních paliv lze dle lokality vzniku očekávat koncentraci HgT ve spalinách na výstupu z kotle od 20 do 60 μg/m3N.

Technologie využitelné v rámci snížení kyselých složek plynu po spalovaní mixu alternativních paliv

Z výše uvedených složení mixů paliv vyplývá nutnost snížení kyselých složek plynu. Pro snížení kyselých složek plynu jsou dostupné polosuché metody a mokré metody odsíření spalin. Každá metoda má své specifika a pro přímou aplikaci je nutné podrobnější posouzení a zejména provedení spalovacích zkoušek.

Sorbenty pro mokrou metodu odsíření spalin
Společnosti a lomy dodávající vápence jsou uvedeny v Tab. 7.

Pro aplikaci na čištění spalin od kyselých složek obsažených ve spalinách po RDF je možné využít vápence které mají vyšší obsah CaCO3. Na základě provedených analýz je obsah uhličitanu vápenatého CaCO3, tedy čistota vápence je nevyšší u vzorků z dolu Čertovy schody a to až 99 %. Pro čištění spalin se většinou využívá vápenec o čistotě kolem 96 %. Uvedenou čistotu kromě vápence z Čertových schodů splňují vápence Vitošov (97,2 %), Lomy Mořina – Tetín (96 %). Velikost měřeného povrchu BET je velice podobná (0,5 až 1,8 m2/g) až na vzorek z Čížkovic (Lafarge – 14 m2/g). Z hlediska zdánlivé hustoty jsou vzorky velice podobné, vzorky se pohybovaly v rozmezí 2,4 až 2,7 g/cm3.

Pro návrh mokré technologie čištění spalin doporučujeme využít vápence z Vápenka Čertovy schody, a.s., Lhoist Group, Lomy Mořina spol. s r.o., a z Lafarge. Vápenec z uvedených lomů využívá ve svých provozech společnost ČEZ, a. s. Jak již bylo výše uvedeno je nutné provést adekvátní provozní testy.

Polosuché metody
Pro polosuché metody se používá oxid vápenatý, nehašené vápno CaO a nebo hydroxid vápenatý Ca(OH)2. Pro uvažované množství spalin do 200 000 m3 N/h je doporučeno využít již hydroxidu vápenatého. Na základě rešerše je možné využít produkty od společnosti Lhoist – Čertovy schody, Cemix – Kotouč Štramberk a Vápenky Vitošov. Pro řešení projektu byly k dispozici následující analýzy sorbentů od daných společností.

Společnost Lhoist nabízí svou produktovou řadu Sorbacal©, (SPS, SP, Micro, H, A, Q – pálené  vápno, SL). Pro představu o vlastnostech jev Tab. 8 uveden produkt Sorbacal.

Společnost Lhoist také dodává produkty pro záchyt těžkých kovů, tedy výrobní řada Sorbacal©Micro. Kdy hydroxid vápenatý je ve směsi s aktivním uhlím. Společnost Cemix – Kotouč Štramberk produkt CL-90-S jenž obsahuje cca 97,2 % CaO+ Mg a 97 % Ca(OH)2.

Stejným označení je i pro produkt od Vápenky Vitošov s.r.o. Složení daného produktu je uvedeno v Tab. 9.

Pro výběr vhodného sorbentu bude nutné poptat uvedené společnosti, jestli jsou schopny dodávat požadované množství, provádět v součinnosti s provozovatelem spalovacího zařízení experimentální testy a následně pak vybrat vhodný sorbent pro suchou, polosuchou metodu odsíření spalin.

Ostatní sorbenty
V rámci možných sorbentů je nutné posoudit i sorbent na bázi hydrogenuhličitanu sodného NaHCO3 – soda. Odsířování hydrogenuhličitanem sodným zahrnuje proces termické aktivace. Tato termická aktivace spočívá v kontaktu horkých spalin s hydrogenuhličitanem sodným. V průběhu této fáze je hydrogenuhličitan okamžitě přeměn na uhličitan. Samotný uhličitan je velice porézní a má větší měrný povrch. Vlastnosti povrchu těchto nově vytvořených karbonátů je, že velmi dobře sorbují těžké kovy a PCDD/F. Nevýhoda je, že uvedené produkt je finančně nároční a produkty po čištění spalin obsahují soli a je problematické splnění zkoušek vyluhovatelnosti. Pro snížení kyselých složek plynu je možné využít produkt společnosti SOLVAYCHEMICALS GmbH s názvem Bicar© (Tab. 10).

V rámci polosuché metody odsíření je možné implementovat vstřikování aktivních uhlí a jiných vhodných sorbentů určených pro snížení těžkých kovů, které jsou také ve vysoké míře obsaženy ve spalinách.

Teoretický výpočet sorbentů využitelných pro snížení kyselých složek plynu ve spalinách po RDF

Hlavním tématem provedených prací bylo řešení snížení kyselých složek odpadního plynu, tedy návrh vhodného sorbentu. Na základě podkladů, získaných od spoluřešitelů projektu (VUT Brno a Veolia Energie ČR, a.s.), kdy byly provedeny propočty teoretického množství a složení odpadního plynu dle poměrů spalovaných paliv v rámci směsi paliv označené jako MIX 1, byl proveden výpočet teoretické spotřeby daných sorbentů na 1 m3 spalin.

Teoretická spotřeba různých druhů vápenců a hydroxidů vápenatých byla vypočtena pro vybrané druhy dostupné na trhu. Snížení kyselých složek plynu vzniklých po spálení či spoluspalování RDF je možné snížit jednak pomocí mokré metody, ale i pomocí polosuché metody odsíření spalin. Pro mokré metody se využívá vápenec, kde bude ale nutné těžké kovy řešit separátně. Tato problematika je v současnosti úspěšně řešena v rámci jiného balíčku uvedeného projektu.

Pro polosuché metody v jednotkách menších výkonů je využíván hydroxid vápenatý, který lze modifikovat i pro snížení koncentrace těžkých kovů, zejména Hg.

Souhrn dostupných sorbentů a teoretická spotřeba je uvedena v následující Tab. 11 a grafu Obr. 1.

Spotřeba sorbentu, dle daných parametrů spalin a na základě výpočtu dle známých vlastností sorbentů, je nevyšší u hydroxidů vápenatých a nejnižší u vápenců z Vápenky Čertovy schody, a.s., Lhoist Group. Jedná se ale o teoretický předpoklad. Na sorpční kapacitu sorbentů má vliv další složení, které ale nelze bez provedení adekvátních pilotních testů zohlednit. Pro potvrzení tohoto předpokladu budou provedeny v nejbližší době pilotní testy ve spolupráci VŠB-TU Ostrava, VEC a FS ČVUT v Praze.

Závěr

Předmětem prací popsaných v článku bylo nejen seznámení s dostupnými sorbenty určenými ke snížení koncentrace kyselých složek ve spalinách vzniklých po spálení směsi alternativních paliv typu RDF, biomasy a kalů z ČOV, ale také seznámení se s teoretickou spotřebou těchto sorbentů, vypočtenou na základě bilance daných metod odsíření spalin. Závěrem článku je nutné uvést celkovou možnou koncepci snížení jednak kyselých složek spalin, ale také i těžkých kovů a dalších látek, které jsou obsaženy v daných mixech paliv. Čištění spalin lze rozdělit do dvou variant.

  • Varianta 1 – RDF je možné spoluspalovat či spoluspalováno v multi-palivovém kotli za který bude instalován látkový filtr určených ke splnění emisního limitu na popílek s dávkováním pevných sorbentů k minimalizaci těžkých kovů. Za látkový filtr je navrženo instalovat mokrou metodu odsíření spalin určenou ke snížení kyselých složek obsažených ve spalinách. Pro snížení oxidů dusíků je možné využít selektivní nekatalytickou redukci, tedy nástřik močoviny do kotle anebo technologii selektivní katalytické redukce v konfiguraci tail end.
  • Varianta 2 – RDF je možné spoluspalovat či spoluspalováno v multi-palivovém kotli za který bude instalován elektroodlučovač popílku na předčištění spalin od popílku a následně instalována polosuchá metoda odsíření spalin určená ke snížení kyselých složek obsažených ve spalinách. Mezi reaktor a látkový filtr bude dávkován pevný sorbent určených k minimalizaci těžkých kovů. Uvedené místo dávkování je nejvýhodnější z hlediska teploty a složení spalin. Pro snížení oxidů dusíků je možné využít selektivní nekatalytickou redukci anebo technologii selektivní katalytické redukce v konfiguraci tail end.

Obě varianty řešení technologie čištění spalin povedou ke splnění daných emisních limitů dle BAT.

Ing. Karel Borovec, Ph.D
Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava

Ing. Lukáš Pilař, Ph.D 
České vysoké učení technické v Praze, Fakulta strojní, Ústav energetiky

Poděkování
Při zpracování příspěvku byly využity poznatky získané v průběhu řešení projektu pod TAČR číslo TN1000007.

Vysvětlivky
BAT Best available technique
ČOV Čistírny odpadních vod
EU Evropská unie
LCP Large combustion plant
RDF Refuse-derived fuel
TAČR Technologická agentura ČR
TN Označení programu Národní centra kompetence

Literární odkazy
[1] Lecomte, T. et al.: Best Available Techniques (BAT) Reference Document for The Large Combustion Plants. European IPPC Bureau, Seville, 2017 , 940 p. ISBN 978-92-79-74303-0
[2] Residue Derived Fuels as an Alternative Fuel for the Hellenic Power Generation Sector and their Potential for Emissions Reduction, Department of Electrical Engineering, Technological Education Institute of Piraeus, P. Ralli &Thivon 250, Egaleo, 122 44, Greece; Email: cpsomop@teipir.gr
[3] EUROPEAN COMMISSION – DIRECTORATE GENERAL ENVIRONMENT, REFUSE DERIVED FUEL, CURRENT PRACTICE AND PERSPECTIVES (B4-3040/2000/306517/MAR/E3) FINAL REPORT
[4] Potential Utilization of RDF as an Alternative Fuel to be Used in Cement Industry in Jordan, Department ofWaste and Resource Management, Rostock University, 18051 Rostock, Germany; abdallah.nassour@unirostock.de (A.N.); michael.nelles@uni-rostock.de (M.N.)
[5] Material flow analysis of RDF-production processes, Vera Susanne Rotter, Department of Waste Management, Technical University Berlin, Jebensstrasse 1, D-10623 Berlin, Germany

Kalendář akcí