CZ2016630A3 - Způsob pro eliminaci amoniakové kontaminace popílku vznikajícího při spalování zejména tuhých paliv a zařízení k jeho provádění - Google Patents

Abstract

Zařízení pro eliminaci amoniakové kontaminace popílku vznikajícího při spalování zejména tuhých paliv, obsahujících odlučovač, kde je do transportní cesty (3) z odlučovače (2) do plazmové jednotky (5) zaústěno plynové vedení (19), přičemž plazmová jednotka obsahuje alespoň jeden stupeň (5a, 5b, 5c), přičemž ke každému stupni (5a, 5b, 5c) je zaústěno vzduchové vedení (7a, 7b, 7c) ze zdroje (6) plynu, přičemž z plazmové jednotky je vyvedeno výstupní vedení (12), do něhož je zaústěno jednak vedení (10) zdroje (9) plynu, tak i odtah (13) plynu, přičemž výstupní vedeníje zaústěno do zásobníku (14), z kterého vystupuje vedení (15) zaústěné do úložiště (16) avedení (17) do mísícího centra (18) k dalšímu zpracování. Způsob eliminace amoniakové kontaminace v popílku se provádí tak, že popílek z odlučovače (2) s amonnou kontaminací se in-line přivádí transportní cestou (3) aje smíchán s pracovním plynem, který je veden plynovým vedením (19) a dávkován skrze ventil (4) do plazmové komory (5), do které se skrze ventily (8a, 8b, 8c) a vedeními (7a, 7b, 7c) dávkuje procesní a funkční plyn ze zdroje (6) funkčního plynu, přičemž pracovní plyn se na výstupu z plazmové jednotky (5) smíchá s funkčním plynem, který je ze zdroje (9) veden vedením (10) do výstupního vedení (12) z jednotky (5) a přívod plynuje dávkován skrze ventil (11), a tam se dekontaminuje, takto dekontaminovaný popílek je pak transportován transportními cestami (17) nebo (15) ze zásobníku (14) k dalšímu zpracování v mísícím centru (18) nebo uložení na úložišti (16) po odloučení plynné fáze skrze odtah (13) pracovního plynu.

Description

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu snížení koncentrace amonných skupin v popílku vzniklém spalováním tuhých paliv a úpravy povrchových vlastností zrn popílku pomocí plazmatu, která je vhodná pro plazmovou úpravu práškových materiálů. Vynález se rovněž týká zařízení k provádění tohoto způsobu.

Dosavadní stav techniky

Nové ekologické legislativy nutí výrobce elektřiny, aby snižovaly koncentrace NOx ve vypouštěných exhalátech. Vzniklé NOX tvoří z 90% NO, který v přírodě oxiduje na NO2. Oxid dusičitý (NO2) může spolu s vodou vytvářet kyselinu dusičnou (HNO3). Oxidy dusíku se spolu s uhlovodíky (HC) podílí na tvorbě smogu.

Metod pro snížení NOx existuje několik typů, ale nejvíce používané jsou selektivní nekatalytická redukce (SNCR) a selektivní katalytická redukce (SCR). Selektivní nekatalytická redukce spočívá ve vytvoření redukčních podmínek, při kterých je do kotle vstřikovaný čpavek nebo močovina, které selektivně a přednostně snižují oxidy dusíku za vzniku elementárního dusíku a vodní páry. Účinnost snížení NOx je 40 až 60%. Charakteristickým znakem této metody je, že probíhá ve spalovacím procesu v oblasti teplot 900 °C až 1 050 °C. Použití čpavku jako redukčního činidla má některé nevýhody. Čpavek je zdraví nebezpečná látka, vyžadující složitější technologická zařízení pro skladování a manipulaci, při jeho úniku je okolí obtěžováno zápachem, vzniklé sloučeniny čpavku a síry mohou vytvářet nežádoucí korozi nebo nánosy na strojním zařízení. Z těchto důvodů se používá u některých postupů místo čpavku močovina. Selektivní katalytická redukce je založena na stejných chemických reakcích jako předcházející nekatalytická redukce, ale díky katalyzátoru probíhají reakce při teplotách 300 °C až 400 °C. Čpavek je vstřikován do spalin, které jsou následně zavedeny do katalyzátorového reaktoru, ve kterém se oxidy dusíku, obsažené ve spalinách, opět změní na dusík a vodní páru. Účinnost snížení NOx je vysoká 80 až 90 %.

Popílek z elektráren a tepláren, který se odlučuje ze spalin se běžně používá ve stavebnictví jako plnivo a příměs např. do betonu, při výrobě pórobetonu a dalších maltovin. Nevyužitý popílek je uskladněn na složištích nebo ve vytěžených dolech.

Při použití metody (SNCR) a selektivní katalytické redukce (SCR) dochází nejen k výrazné redukci NOx, ale i k nechtěnému zvýšení koncentrace amonných skupin nejen v samotných spalinách, ale i ke zvýšené adsorpci a chemisoprci těchto amonných skupin na popílek.

Při smíchání takto kontaminovaného popílku s hydraulickými pojivý a vodou ve výrobě silikátových stavebních hmot dochází k výraznému uvolňovaní adsorbovaného amoniaku z betonu, což znemožňuje z hygienického, ale i technického hlediska jeho použití v průmyslu stavebních hmot. Uskladnění takto kontaminovaného popílku je taktéž problematické z důvodu uvolňování amoniaku a amonných produktů v interakci s vodou. V tomto případě je tedy nutné zacházet s popílkem jako s nebezpečným odpadem, což dále prodražuje proces skladování. Vzhledem k tomu, že objemy popílku vzniklého spalováním se pohybují v ČR v objemech milionů tun/rok, je nutné najít způsob, jak tento problém ekonomicky a ekologicky řešit.

V odborné literatuře je možné nalézt techniky jak dosáhnout podmínkami hoření a podmínkami, při kterých probíhá SNCR a SCR, snížení množství amonných skupin v popílku, ale dekontaminace již kontaminovaného popílku představuje dosud nevyřešený problém.

Z hlediska provozu je velmi problematické transportovat kontaminovaný popílek z elektrárny nebo teplárny na složiště z důvodu uvolňování amonikaku z připravených stabilizátů a tím vystavování jak personálu obsluhujícího techniku transportující popílek na složiště, tak zvýšékorozivní zátěže techniky i budov»

Při dekontaminaci popílku není možné použít mokrých procesů, které se nabízí použitím chemických metod. Z důvodu změny práškového materiálu na kašovitý vzniká technické omezení pro další využití ve stavební výrobě, např. na betonárkách při výrobě betonu.

Z hlediska provozu takto uzpůsobených elektráren či tepláren je nutné nalézt způsob, jak dekontaminovat popílek v práškové formě přímo při jeho transportu z odlučovače do skladovacích sil.

Cílem tohoto vynálezu je představit způsob snížení koncentrace amonných skupin v popílku pomocí in-line úpravy popílku bez modifikace jeho fýzikálních vlastností, který by byl vhodný pro průmyslovou úpravu velkého množství popílku v objemech desítek tun/hod, nepotřebující pro správnou funkci drahé chemikálie, není energeticky, prostorově a investičně nenáročný a umožňuje snadné dimenzování a zvětšení rozměrů pro různé množství upravovaného kontaminovaného popílku. Takto upravený popílek by pak měl vykazovat stejné nebo lepší vlastnosti při použití ve stavebních hmotách s hydraulickými pojivý.

Podstata vynálezu

Výše uvedené nedostatky odstraňuje zařízení pro eliminaci amoniakové kontaminace popílku vznikajícího při spalování zejména tuhých paliv podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že do transportní cesty z odlučovače do plazmové jednotky je zaústěno plynové vedení, přičemž plazmová jednotka obsahuje alespoň jeden stupeň, přičemž ke každému stupni je zaústěno vzduchové vedení ze zdroje plynu, přičemž z plazmové jednotky je vyvedeno výstupní vedení do něhož / zaústěno jednak vedení zdroje plynu, tak i odtah plynu, přičemž výstupní vedení je je zaústěno do zásobníku, z kterého vystupuje vedení zaústěné do úložiště a vedení do místa k dalšímu zpracování.

Dalším předmětem vynálezu je způsob eliminace amoniakové kontaminace aj v popílku vznikajícího při spalování zejména pevných paliv, jehož podstat spočívá v tom, že popílek z odlučovače s amonnou kontaminací se in-line přivádí transportní cestou a je smíchán s pracovním plynem, který je veden plynovým vedením a dávkován skrze ventil do plazmové komory, do které se skrze ventily a vedeními dávkuje procesní a funkční plyn ze zdroje funkčního plynu, přičemž pracovní plyn se na výstupu z plazmové jednotky smíchá s funkčním plynem, který je ze zdroje veden vedením do výstupního vedení z jednotky a přívod plynu je dávkován skrze ventil, a tam se dekontaminuje, takto dekontaminovaný popílek je pak transportován transportními cestami nebo ze zásobníku k dalšímu zpracování na místě k dalšímu zpracování nebo uložení na úložišti po odloučení plynné fáze skrze odtah pracovního plynu.

Ve výhodném provedení se kontaminovaný popílek z odlučovače přivádí ze zásobníku a je smíchán s pracovním plynem z ventilu a následně je přiveden do plazmové jednotky transportní cestou.

V jiném výhodném provedení se na povrch popílku nanáší v plazmové jednotce funkční povrch vytvořený funkčními plyny.

9 4»

- 4 —

V dalším výhodném provedení je teplota kontaminovaného popílku je v rozmezí 20 °θΓΐ000 °C.

V jiném výhodném provedení je kontaminovaný popílek před procesem čištění smícháván in-line s alkalickým nebo kyselým aditivem a s ním společně přispívá k jeho redukci.

Přehled obrázků na výkresech >

Zařízení podle vynálezu bude vysvětleno na základě obrjl., který zobrazuje Λ schéma tohoto zařízení.

Příkladné provedení vynálezu

Od odlučovače 2 popílku uspořádaného v komínovém tělese elektrárny nebo teplárny, jako zdroje popílku, se tlakem vzduchu ve vznosu vede transportní cestou

3. Do této transportní cesty 3 je zaústěno potrubní vedení 19, kterým je přiváděn pracovní plyn dávkovaný ventilem 4. Pracovním plynem je nejběžněji vzduch, který zajisti transport popílku ve vznosu mezi odlučovačem 2 a plazmovou jednotkou 5. Transportní cesta 3 je zaústěna do plazmové jednotky 5, která může být i vícestupňová, jak je schématicky znázorněno jednotlivými stupni 5a, 5b 5c. Ze zdroje 6 procesního plynu můžou být do jednotlivých stupňů 5a, 5b, 5c plazmové jednotky 5 přidávány další procesní plyny proudící vedeními 7a, 7b, 7c skrze dávkovači ventily 8a, 8b, 8c. To umožní při dekontaminačním procesu ještě např. zrychlení oxidačních procesů či vytvoření jiné funkční vrstvy nebo chemických skupin na povrchu zrn popílku. Procesní plyn, což je plyn přidávaný pro urychlení a zefektivnění procesu detoxikace v plazmovém prostředí v plazmové jednotce 5 je zpravidla propan, butan, zemní plyn apod. Tento procesní plyn může být na výstupu z plazmové jednotky 5 smíchán s pracovním plynem, který je ze zdroje 9 veden vedením 10 a může být regulován ventilem 11__do výstupního vedení 12, za účelem postplazmové funkcionalizace povrchu popílku. V případě, že je potřeba přidat v kterémkoli stupni 5a, 5b, 5c dodatečné množství vzduchu nebo jiného plynu umožňujícího vznik plazmatu, lze pro tento účel využít zdroj 6 procesního plynu. Z výstupního vedení 12 je uspořádán odtah 13 pracovního či směsi s procesním plynem. Dekontaminovaný popílek, odloučený od pracovního či procesního plynu, je pak dopravován do zásobníků 14, odkud je transportován transportní cestou 15 na expedici 16 nebo transportní cestou 17 k mísícímu centru 18 pro další zpracování.

•i ♦

- 5 —

Zařízení je možné použít i samostatně, kdy je zdroj popílku proveden jako neznázorněný zásobník kontaminovaného nebo Dekontaminovaného popela, který může být součástí elektrárenského komplexu nebo součástí bloku pro další zpracování popílku.

Nanesení modifikovaného funkčního povrchu popílku pak může probíhat zároveň s procesem čištění, kde účinnost čištění je nižší nebo až v posledních stupních plazmové jednotky 5, případně i samostatně. Dle struktury a kontaminace popílku je možné ovlivňovat výkon a dobu setrváni v plazmatu a pracovní atmosféru tak, aby účinnost byla co největší.

Představený způsob řeší snížení koncentrace amonných skupin v již kontaminovaném popílku pomocí plazmové úpravy v plazmatu, kde popílek plazmovou úpravou nezmění svoje základní fyzikální vlastnosti a proces probíhá ve vzduchové atmosféře, případně v atmosféře vzduchu s malým množstvím procesního plynu. Pro úpravy lze použít různé typy nízkoteplotního i termálního plazmatu, v našem případě bude využito zdroje plazmatu dle vynálezu Z -idC z důvodu jeho jednoduché aplikovatelnosti pro velké objemy práškových materiálů.

Bylo zjištěno, že jedním průchodem plazmatem dochází k redukci až 10r60% amonných skupin v popílku. Opakovaným průchodem je možné dosáhnout až 90% snížení obsahu amonných skupin obsažených v popílku.

Technologie je prostorově i technicky aplikovatelná přímo do proudu popílku z odlučovače do skladovacího sila, tedy je možné touto technikou dosáhnout snížení do ovzduší unikající amonné kontaminace ihned po procesu spalování procesu. Plazmově dekontaminovaný popílek pak umožňuje jeho použití ve stavebnictví tak, jak tomu je v případě popílků vznikajících bez použití SNCR a SCR metod.

Díky povrchovým vlastnostem plazmově upravených popílků je dosaženo dalších výhodných vlastností. Takto upravené popílky mohou vyžadovat menší spotřebu vody na dosažení požadované zpracovatelnosti, či vykazují lepší kompatibilitu s přísadami do betonu.

Předmětem vynálezu je dále i způsob plazmové úpravy popílku v nízkoteplotním plazmatu generovaném výše popsaným způsobem, kdy se popílek ředěný vzduchem nebo jiným plynem přivádí do výbojové komory, prochází plazmatem, kde dochází k redukci adsorbovaných a chemisorbovaných amonných skupin, načež se odvádí z výbojové komory nebo je přiváděn do následného stupně úpravy obsahující plazmovou jednotku.

» > · ♦ · * * , · » · · * ····· · · » · ♦ · » · · · · ·

- 6 Výhodně se při plazmové úpravě popílku přidává do výbojové atmosféry monomer nebo monomer ředěný plynem, který umožňuje depozici hydrofilní, superhydrofilní, bariérové nebo hydrofobní nebo superhydrofobní nebo jinak funkční vrstvy nebo povrchu popílku.

Výhodně při úpravě popílku dochází k dekontaminaci a modifikaci popílku samostatně, kde modifikace nebo dekontaminace může probíhat i mimo prostor výroby popílku.

Výhody vynálezu spočívají v tom, že dekontaminace/modifikace popílku může být provedena v bezprostřední blízkosti od zdroje kontaminace, nehrozí tak další problémy spojené s uvolňujícími se amonnými skupinami. Další výhodou je, že výše popsaný proces pozitivně ovlivňuje fyzikální vlastnosti popílku, tedy není třeba dalších investic a umožňuje tak využívat již osvědčené postupy zpracování.

Průmyslová využitelnost

Způsob eliminace kontaminace popílku podle vynálezu lze využít pro provozy elektráren, tepláren a spaloven, kde je použitý SNCR a SCR proces. V případě nejčastěji dieslových automobilů je tento proces nepoužitelný, protože ve filtrech pevných částic je jen malé množství zachyceného popela, který se dále nepoužívá pro další zpracování.

Claims (6)

1. Patentové nároky

   1. Zařízení pro eliminaci amoniakové kontaminace popílku vznikajícího při spalování zejména tuhých paliv, obsahujících odlučovač, vyznačující se tím, že do transportní cesty (3) z odlučovače (2) do plazmové jednotky (5) je zaústěno plynové vedení (19), přičemž plazmová jednotka obsahuje alespoň jeden stupeň (5a, 5b, 5c), přičemž ke každému stupni (5a, 5b, 5c) je zaústěno vzduchové vedení (7a, 7b, 7c) ze zdroje (6) plynu, přičemž z plazmové jednotky je vyvedeno výstupní vedení (12) do něhož je zaústěno jednak vedení (10) zdroje (9) plynu, tak i odtah (13) plynu, přičemž výstupní vedení je zaústěno do zásobníku (14), z kterého vystupuje vedení (15) zaústěné do úložiště (16) a vedení (17) do mísícího centra (18) k dalšímu zpracování.
2. 2. Způsob eliminace amoniakové kontaminace v popílku vznikajícího při spalování zejména pevných paliv, vyznačující se tím, že popílek z odlučovače (2) s amonnou kontaminací se in-line přivádí transportní cestou (3) a je smíchán s pracovním plynem, který je veden plynovým vedením (19) a dávkován skrze ventil (4) do plazmové komory (5), do které se skrze ventily (8a, 8b, 8c) a vedeními (7a, 7b, 7c) dávkuje procesní a funkční plyn ze zdroje (6) funkčního plynu, přičemž pracovní plyn se na výstupu z plazmové jednotky (5) smíchá s funkčním plynem, který je ze zdroje (9) veden vedením (10) do výstupního vedení (12) z jednotky (5) a přívod plynu je dávkován skrze ventil (11), a tam se dekontaminuje, takto dekontaminovaný popílek je pak transportován transportními cestami (17) nebo (15) ze zásobníku (14) k dalšímu zpracování v mísícím centru (18) jiebo uložení na úložišti (16) po odloučení plynné fáze skrze odtah'pracovního plynu (13).
3. 3. Způsob podle nároku 2, vyznačující se tím, že kontaminovaný popílek z odlučovače (2) se přivádí ze zásobníku a je smíchán s pracovním plynem z ventilu (4) a následně je přiveden do plazmové jednotky (5) transportní cestou (3).
4. 4. Způsob podle nároků 2 a 3, vyznačující se tím, že na povrch popílku se nanáší v plazmové jednotce (5) funkční povrch vytvořený funkčními plyny.

   • 9
5. 5.

   Způsob podle některého z nároků 2 až 3, vyznačující se tím, že teplota kontaminovaného popílku je v rozmezí 20 °Cf 1000 °C.
6. 6. Způsob podle některého z nároků 2 až 5, vyznačující se tím, že kontaminovaný popílek je před procesem čištění smícháván in-line s alkalickým nebo kyselým aditivem a s ním společně přispívá k jeho redukci.