CZ27626U1 - Zařízení pro čištění spalin při spalování biomasy a kontaminované biomasy - Google Patents

Description

Zařízení pro čištění spalin při spalování biomasy a kontaminované biomasy

Oblast techniky

Technické řešení se týká spalování biomasy a kontaminované biomasy v zařízeních o výkonu 1 až 5 MW.

Dosavadní stav techniky

Spalování biomasy je z technického pohledu v současné době zcela běžnou a zvládnutou záležitostí. Biomasa je spalována ve spalovacích zařízeních různých typů, např. roštových, fluidních, atp. a energie uvolněná během spalování je využívána k různým účelům, především k výrobě páry v parních kotlích nebo k ohřevu vody.

Z hlediska legislativou předepsaných emisních limitů je na biomasu nahlíženo spíše jako na ušlechtilé palivo, pro která obecně platí méně přísné emisní limity a je sledováno méně skupin polutantů ve srovnání např. se spalováním odpadů. V posledních letech se však stává aktuální spalování biomasy kontaminované různými polutanty, jako jsou např. těžké kovy a uhlovodíkové sloučeniny. Tyto pocházejí obvykle z nátěrových hmot, olejů, plastických hmot atp. Mimo to se při spalování biomasy vyskytují ve spalinách polutanty nesouvisející bezprostředně s palivem, ale se samotným spalovacím procesem, např. oxid uhelnatý a oxidy dusíku. Protože je obecným trendem snižování emisních limitů u všech spalovacích procesů a paliv, lze v blízké budoucnosti očekávat sbližování legislativou předepsaných emisních limitů pro spalování biomasy (obecně všech paliv) s emisními limity pro spalování odpadů.

Základním procesem čištění spalin je jejich důkladné odprášení, tj. odloučení tuhých znečišťujících látek (dále TZL) z proudu spalin. Nejvyššího stupně odloučení TZL je obecně dosahováno povrchovou filtrací v aparátu nazývaném filtr. Aparát je obvykle tvořen z jedné či několika identických komor vyplněných filtračními elementy, které mohou být látkové, membránové, nebo i keramické. Na těchto elementech probíhá důkladné odprášení spalin. Plynné molekuly spalin mohou skrze filtrační materiál procházet, ale větší prachové částice se separují na jejím povrchu (řádově od rozměru 0,1 pm). Zadržené částice vytvářejí na povrchu filtračního materiálu filtrační koláč. Zachycené tuhé částice (popílek, reagenty, sorbenty) jsou z filtrační tkaniny periodicky odstraňovány při regeneraci tlakovým vzduchem nebo zpětným proplachem spalinami a shromažďovány ve spodní části jednotlivých komor filtru (tj. výsypkách). Odtud jsou odprašky přes tlakový uzávěr (dvojklapka, turniketový uzávěr, atp.) periodicky odstraňovány. Problémem při nasazení keramických filtrů však může být přítomnost kyseliny fluorovodíkové ve spalinách, která může ve vyšších koncentracích či při špatně navržených podmínkách filtrace poškozovat jejich fyzikální strukturu.

Odprášení spalin je základní a zásadní operací čištění spalin. To je dáno skutečností, že na prachové částice může být navázáno mnoho dalších typů polutantů, zejména těžké kovy a látky typu polychlorovaných dibenzodioxinů a furanů (dále PCCD/F). Právě důkladné odprášení spalin povrchovou filtrací při spalování biomasy je problematické, neboť dochází k úletu žhavých částic spalinami dále do technologie ze spalovacího zařízení a tyto částice posléze poškozují (propalují) materiál filtračních elementů.

Jak již bylo zmíněno, legislativou dané emisní limity pro spalování biomasy u jednotek menších výkonů jsou v současné době relativně vysoké a pro jejich splnění není zařazení povrchové filtrace do souboru čištění spalin nezbytné. Obvykle stačí použití mechanického odlučovače, tj. cyklónu nebo multicyklónu (dosahované koncentrace TZL ve spalinách v rádu 10² mg/mN³). U jednotek vyšších výkonů je však již vzhledem k přísnějším limitům nutné použití elektroodlučovačů (dosahované koncentrace TZL ve spalinách řádově 10¹ mg/mN³) nebo povrchové filtrace (dosahované koncentrace TZL ve spalinách řádově 10° mg/m_N ³), které předchází různá opatření zamezující styku žhavých částic s filtrační tkaninou. Obvykle se jedná o předřazené mechanické odlučovače či úsadové komory, které mají jednak za úkol mechanicky odloučit žhavé částice z

-1 CZ 27626 Ul proudu spalin a nebo jim prodloužením dopravní trasy spalin poskytnout čas k vyhoření. Nejde však o opatření zcela vylučující poškození filtračních látkových elementů, za určitých provozních podmínek často dochází k vznícení filtrační tkaniny a zahoření filtru. U jednotek o větším výkonu jsou již nasazovány aktivní zhášecí systémy skládající se z detekce jisker (např. detekce v infračerveném spektru) a hasicího zařízení obvykle používajícího vodní mlhu rozprašovanou pomocí trysek na tlakový vzduch či páru.

Cílem technického řešení je představit zařízení pro čištění spalin při spalování biomasy a kontaminované biomasy, které by umožnilo efektivní nasazení keramických filtrů a které by zajistilo spalování s nižšími emisními limity při spalování biomasy a obecně všech paliv.

Podstata technického řešení

Výše uvedené nedostatky odstraňuje do značné míry zařízení pro čištění spalin při spalování biomasy a kontaminované biomasy podle technického řešení, jehož podstata spočívá v tom, že obsahuje spalinovod, do kterého je zaústěn výstup ze skladovacího zařízení, z kterého je dávkován sorbent, načež spalinovod dále pokračuje do filtru s mikroporézními keramickými filtračními prvky a se vstupem tlakového vzduchu.

Ve výhodném provedení je skladovací zařízení tvořeno ocelovou konstrukcí s násypkou pro uložení přepravního vaku se sorbentem a pod násypkou je šnekový dopravník, na nějž je napojeno vedení ústící výstupem do spalinovodu.

V jiném výhodném provedení je skladovací zařízení tvořeno ocelovou konstrukcí s násypkou pro uložení přepravního vaku se sorbentem a pod násypkou je šnekový dopravník, na nějž je napojeno vedení ústící do provozního zásobníku s uzavíracím nožovým šoupětem, přičemž na provozní zásobník navazuje šnekový mikrodávkovač, na nějž je napojeno vedení opatřené tlakovým uzávěrem, přičemž vedení ústí výstupem s ejektorem do spalinovodu.

V dalším výhodném provedení je mezi skladovacím zařízením a filtrem uspořádán kontraktor.

V jiném výhodném provedení je za filtrem ve směru dalšího postupu spalin uspořádán ekonomizér, do kterého je proveden vstup teplonosné látky pro odebrání zbytkové energie spalin.

V dalším výhodném provedení je mezi vstupem spalin do spalinovodu a skladovacím zařízením uspořádán mechanický odlučovač pro hrubé odprášení spalin.

Přehled obrázku na výkrese

Technické řešení bude popsáno pomocí obr. 1, který představuje zařízení pro čištění spalin při spalování biomasy a kontaminované biomasy podle technického řešení a jsou na něm představeny dvě z možností dávkování sorbentů do proudu spalin.

Příklady provedení technického řešení

Z obr. 1 je na zařízení I podle technického řešení vidět místo, kudy spaliny SP ze spalovacího zařízení a sekce utilizace tepla (např. parní nebo horkovodní kotel) o teplotě v rozmezí od rosného bodu do teploty dané omezením konstrukčním materiálem aparátů (tzn. obvykle od 120 do 350 °C) vstupují do technologie čištění spalin.

Na vstupu 24 spalin SP může být zařízení I vybaveno mechanickým odlučovačem TZL Γ5 pro hrubé odprášení spalin, který však není nutný. Výhoda v jeho instalaci může vyplývat z rozdílných vlastností TZL odloučených v mechanickém odlučovači 15 a v zařízení povrchové filtrace (např. jiné obsahy těžkých kovů, jiné fyzikální vlastnosti, atd.). Tím je umožněno rozdílné nakládání s těmito odprašky. Při rekonstrukci starších jednotek je potom mechanický odlučovač 15 již často instalován a v tom případě není nutné jej vyřazovat. Spaliny SP zbavené hrubého popílku HP v mechanickém odlučovači 15 jsou vedeny spalinovodem 18, kam se přidává sorbent a dále přes reaktor suché adsorpce 10 k zařízení povrchové filtrace - filtru 1T.

-2CZ 27626 Ul

Při nižších teplotách spalin je vhodným sorbentem hydroxid vápenatý (hašené vápno). Od teplot cca 180 °C je sorbentem první volby hydrogenuhličitan sodný (jedlá soda). V důsledku dávkování sorbentu je ze spalin odstraněn fluorovodík (HF) a sorbent dávkovaný do spalin je možné použít i k odstranění ostatních kyselých polutantů a nebo těžkých kovů obsažných ve spalinách.

Sorbent může být do proudu spalin dopravován různými způsoby. Technicky a aparátově nejjednodušším řešením je přímé gravitační zaprášení do spalinovodu 18. Do spalinovodu 18 je zaústěn výstup 4 ze skladovacího zařízení 20 z aparátu v provedení podle varianty A, kam je sorbent přiváděn pomocí dávkovacího zařízení 3. Ve spalinovodu 18 jsou spaliny v podtlaku vůči okolní atmosféře.

V případě, že je podtlak ve spalinovodu 18 příliš vysoký, pak je použit k tlakovému rozdělení dopravních cest sorbentu aparát podle varianty B, který je rovněž opatřen skladovacím zařízením 20 a dávkovacím zařízením 3, stejnými jako aparát A, a navíc, tato konfigurace má tlakový uzávěr 8, který může být proveden např. jako turniket nebo dvoj klapka. Tlakový uzávěr 8 se použije téměř vždy v případě, že spaliny jsou v přetlaku vůči okolní atmosféře. Zároveň je nezbytné pro dávkování sorbentu do spalin použít ejektor 9 na výstupu 17.

Ve variantě A je samotné skladovací zařízení 20 navrhováno s ohledem na množství sorbentu potřebného pro plynulý provoz a dále dávkované množství sorbentu a přesnost, s jakou má být sorbent dávkován. Při uvážení současných emisních limitů a instalaci suchého čištění pouze z hlediska ochrany keramických filtračních elementů plně vyhoví skladovací zařízení tvořené přímo přepravním vakem 2 sorbentu (obvykle tzv. „big-bag“) a ocelová konstrukce 19 s násypkou 21 k zavěšení přepravního vaku 2. Vyprazdňování násypky 21 skladovacího zařízení 20 se děje šnekovým dopravníkem 3 skladovacího zařízení 20.

V druhé prezentované variantě B je skladovací a dávkovači zařízení 20 pro sorbent tvořené opět přepravním vakem 2 sorbentu s ocelovou závěsnou konstrukcí 19 s násypkou 21 a vyprazdňovacím šnekovým dopravníkem 3 skladovacího zařízení 20 doplněno o provozní zásobník 5 s uzavíracím nožovým šoupětem 6, šnekovým mikrodávkovačem 7 a tlakovým uzávěrem 8 provedeném jako turniket. Toto řešení umožňuje nepřerušit dávkování sorbentu při výměně prázdného přepravního vaku 2 za plný. Zároveň šnekový mikrodávkovač 7 spolu s tlakovým uzávěrem 8 je schopen s větší přesností dávkovat množství sorbentu do spalin. Tlakový uzávěr 8 v tomto případě zabraňuje přisávání vzduchu přes systém dávkování sorbentu a tedy únosu sorbentu mimo měřicí čidla.

Dva výše uvedené způsoby skladování a dávkování sorbentu nejsou konečným výčtem možností. Představují ale dva základní nej jednodušší způsoby jeho provedení a díky nízkým investičním a provozním nákladům i pravděpodobně nej častější provedení. Skladování sorbentu je např. při jeho vyšších spotřebách možné řešit pomocí skladovacích sil, kdy odpadá častá manipulace s přepravními obaly sorbentu. Dále je možné sorbent do spalin dopravovat pneumaticky v případě, že vzájemnou polohou místa skladování a místa dávkování do proudu spalin, je znemožněna gravitační doprava.

Filtru 11 může být v případě požadavku na vysoký stupeň redukce obsahu kyselých a jiných polutantů ve spalinách předřazen reaktor suché sorpce, tzv. kontaktor 10. Tento aparát má za úkol prodloužit dobu, po kterou může sorbent nebo sorbenty reagovat s příslušnými polutanty ve spalinách před odloučením částic sorbentu z proudu spalin. Toto odloučení probíhá na keramických filtračních elementech 12 instalovaných ve filtru 11.

Samotný filtr Η. se vyznačuje použitím filtračních elementů 12 z keramiky, které jsou schopné odolávat vysokým teplotám a tedy i žhavým částicím. Na těchto elementech probíhá důkladné odprášení spalin. Plynné molekuly spalin mohou skrze filtrační materiál procházet, ale větší prachové částice se separují na jejím povrchu (řádově od rozměru 0,1 pm). Zadržené částice vytvářejí na povrchu filtračního materiálu filtrační koláč, který je pomocí tlakového vzduchu TV, vstupujícího vstupem 22, z elementů periodicky nebo na základě měřené tlakové ztráty odstraňován a hromadí se ve výsypce filtru. Tato může být vybavena jedním nebo více vynášecími šne-3CZ 27626 Ul kovými dopravníky 13, pomocí kterých je z výsypky popílek PO vynášen. Filtr může být též uspořádán tak, že výsypka nebo výsypky jsou jehlanovité a odvod popílku PO je řešen turniketem nebo dvojklapkou.

Samotné keramické filtrační elementy 12 mohou být vyhotoveny jako katalytické, kdy je v matrici keramiky implementován katalyzátor umožňující redukci látek typu PCCD/F, oxidů dusíku nebo uhlovodíků.

Z filtru 11 proudí odprášené spaliny pomocí ventilátoru 14 dále do technologie nebo jsou přes komín odváděny do atmosféry. Často je za filtrem použít ekonomizér 16, ve kterém je teplonosné látce TL předávána zbytková energie spalin vstupem 23. Na výstupu je pak ohřáté teplé médium TM.

Vzhledem k nespolehlivosti mechanických odlučovačů a úsadových komor a vhodnosti nasazení složitějších shášecích systémů až u jednotek o větším výkonu bylo navrženo technologické/aparátové složení souboru čištění spalin pro spalování biomasy a kontaminované biomasy, které řeší nejen problematiku poškozování látkových filtračních elementů žhavými částicemi a jejich provozní spolehlivost, ale také zaručuje dodržení současných a budoucích emisních limitů daných legislativou, přičemž je možné snadno přizpůsobit reálně dosahované koncentrace polutantů ve vypouštěných spalinách množstvím dávkovaného sorbentu.

Odolnosti filtračních elementů proti žhavým částicím je dosaženo nasazením mikroporézní keramiky vyznačující se tepelnou odolností až do 900 °C jako materiálu filtračních elementů.

Nevýhodou keramických materiálů je však jejich snížená odolnost vůči kyselině fluorovodíkové (dále HF), která se v plynné fázi může vyskytovat ve spalinách. V nejhorším případě při podkročení rosného bodu může dojít i k její kondenzaci. HF se však ve spalinách ze spalování většiny obvyklých druhů biomasy nevyskytuje. Pro případ spalování biomasy se zvýšeným obsahem fluoruje povrchové filtraci na keramických elementech předřazeno odstranění HF z proudu spalin pomocí sorbentu, tzv. suchá nebo polosuchá metoda čištění spalin. Tímto sorbentem může být, např. hydrogenuhliěitan sodný (jedlá soda) nebo hydroxid vápenatý. Nej vhodnější sorbent je volen vždy pro konkrétní linky spalování biomasy na základě teploty spalin, jejich vlhkosti a obsahu HF. Reakcí HF se sorbentem dochází k jeho přeměně na pro keramiku neškodnou příslušnou sůl - fluorid. Protože HF je reaktivnější ve srovnání s ostatními kyselými složkami a reaguje se sorbenty přednostně, je pro snížení koncentrace HF nezbytné dávkovat relativně malé množství sorbentu a nejsou kladeny zvýšené požadavky na jeho kvalitu ve smyslu granularity a nebo homogenizace s proudem spalin.

Modularita navrhovaného technického řešení umožňuje použití více typů sorbentů zaměřených na různé typy polutantů (kyselé složky, těžké kovy) prostým násobením počtu skladovacích a dávkovačích zařízení. Tato skladovací a dávkovači zařízení mohou být funkčně uzpůsobena pro různé typy provozů ve smyslu např. skladovacích kapacit, přesnosti množství dávkovaného sorbentu a nebo možnosti dávkovat sorbent do proudu spalin, který jev přetlaku či podtlaku vůči atmosféře. Samozřejmostí je možnost přizpůsobit technologickou (aparátovou) skladbu i tím i investiční náročnost konkrétním požadavkům investora či nárokům na koncentrace polutantů ve spalinách.

Modularita navrhované technologie čištění spalin také umožňuje implementovat ji i do již postavených jednotek pro spalování biomasy. V tom případě bývá obvyklou úpravou provedení buď nového spalinovodu s nově instalovaným spalinovým ventilátorem nahrazujícím původní ventilátor, což je dáno očekávanou vyšší tlakovou ztrátou. Technologii je také možné implementovat pomocí obtoku, tzv. by-pass, kdy je zachována schopnost použití původního spalinovodu včetně původních aparátů. V tomto případě se na obtok s novou technologií obvykle instaluje pomocný spalinový ventilátor kryjící pouze dodatečnou tlakovou ztrátu nové alternativní větve technologie. Nová větev se obvykle uzavírá pomocí klapek či talířových ventilů, jejichž nastavením se také provádí volba spalinové trasy.

Claims (6)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Zařízení pro čištění spalin při spalování biomasy a kontaminované biomasy, vyznačující se tím, že obsahuje spalinovod (18), do kterého je zaústěn výstup (4, 17) ze skladovacího zařízení (20), z kterého je dávkován sorbent, načež spalinovod dále pokračuje do filtru (11) s mikroporézními keramickými filtračními prvky a se vstupem (22) tlakového vzduchu (TV).
2. 2. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že skladovací zařízení (20) je tvořeno ocelovou konstrukcí (19) s násypkou (21) pro uložení přepravního vaku (2) se sorbentem a pod násypkou (21) je šnekový dopravník (3), na nějž je napojeno vedení ústící výstupem (4) do spalinovodu (18).
3. 3. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že skladovací zařízení (20) je tvořeno ocelovou konstrukcí (19) s násypkou (21) pro uložení přepravního vaku (2) se sorbentem a pod násypkou (21) je šnekový dopravník (3), na nějž je napojeno vedení ústící do provozního zásobníku (5) s uzavíracím nožovým šoupětem (6), přičemž na provozní zásobník (5) navazuje šnekový mikrodávkovač (7), na nějž je napojeno vedení opatřené tlakovým uzávěrem (8), přičemž vedení ústí výstupem (17) s ejektorem (9) do spalinovodu (18).
4. 4. Zařízení podle nároků laž3, vyznačující se tím, že mezi skladovacím zařízením (20) a filtrem (11) je uspořádán kontraktor (10).
5. 5. Zařízení podle kteréhokoliv z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že za filtrem (11) je ve směru dalšího postupu spalin uspořádán ekonomizér (16), do kterého je proveden vstup (23) teplonosné látky (TL) pro odebrání zbytkové energie spalin.
6. 6. Zařízení podle kteréhokoliv z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že mezi vstupem (24) spalin do spalinovodu (18) a skladovacím zařízením (20) je uspořádán mechanický odlučovač (15) pro hrubé odprášení spalin.