E N E R G E T Y K A I E K O L O G I A
I n s t y t u t M a s z y n C i e p l n y c h
81
ENERGETYKA
A OCHRONA ŚRODOWISKA
Wpływ Krajowego Systemu Energetycznego
na środowisko
1
Skutki zanieczyszczania środowiska
1.1
SkaŜenie powietrza (emisja pyłu, SO
2
,
NO
x
,
CO,
CO
2
,
inne),
1.2
SkaŜenie wód,
1.3
SkaŜenie gleby,
1.4
Hałas,
1.5
Oddziaływanie pól elektromagnetycznych,
1.6
Oddziaływanie obiegów chłodzenia na otocze-
nie.
2
Metody ograniczenia zapylenia i emisji szkodliwych
gazów
2.1
Wzbogacanie paliw,
2.2
Przetwarzanie paliw stałych,
2.3
Technologie czystego spalania,
2.4
Oczyszczanie spalin,
2.4.1
Odpylanie spalin,
2.4.2
Odsiarczanie spalin,
2.4.3
Odazotowywanie spalin,
2.4.4
Ograniczanie emisji CO
2
.
3
Składowanie i utylizacja odpadów elektrownianych
3.1
Zagospodarowywanie ścieków,
3.2
Składowanie i zagospodarowanie odpadów pale-
niskowych i popiołów lotnych,
3.3
Składowanie i zagospodarowanie produktów po-
reakcyjnych z odsiarczania spalin.
E N E R G E T Y K A I E K O L O G I A
I n s t y t u t M a s z y n C i e p l n y c h
82
Oddziaływanie konwencjonalnej elektrowni
cieplnej na środowisko
Rys. 54. Kierunki i czynniki oddziaływania
konwencjonalnej elektrowni cieplnej
na środowisko
Rys. 55. Czego potrzebuje konwencjonalna elektrownia
cieplna i czym „zatruwa” środowisko
E N E R G E T Y K A I E K O L O G I A
I n s t y t u t M a s z y n C i e p l n y c h
83
Ochrona powietrza przed emisją pyłu, SO
2
,
NO
x
,
CO,
CO
2
,
innych),
Tabl. 21. Całkowita emisja głównych zanieczyszczeń
powietrza
a
w Polsce
1995
2000
2004
2005
Wyszczególnienie
w Gg
Dwutlenek siarki
2376
1511
1241
1222
Tlenki azotu
b
1120
838
804
811
Dwutlenek węgla
c
377448 333253 325382 326511
Tlenek węgla
4547
3463
3426
3333
Niemetanowe lotne związki
organiczne w tym:
1076
904
896
885
źródła antropogeniczne
769
599
597
585
przyroda
307
306
299
301
Amoniak
380
322
317
327
Pyły
d
1308
464
443
457
a Dane szacunkowe.
b WyraŜone w NO
2
.
c Dane zmienione (zrekalkulowane) w stosunku do opublikowanych w poprzedniej edycji Rocznika.
d Emisja ze źródeł stacjonarnych i mobilnych, w 1995 r. — tylko ze źródeł stacjonarnych; od 2000 r. dane
nieporównywalne z danymi za lata poprzednie z powodu zmiany metodologii szacowania emisji pyłów.
Źródło: Mały Rocznik Statystyczny 2007 GUS 2007
E N E R G E T Y K A I E K O L O G I A
I n s t y t u t M a s z y n C i e p l n y c h
81
Tabl. 22. Całkowita emisja dwutlenku siarki, tlenków azotu i pyłów
a
według źródeł za-
nieczyszczeń w Polsce
Dwutlenek siarki
Tlenki azotu
b
Pyły
c
1995
2005
1995
2005
1995
2005
Wyszczególnienie
w Gg
w od-
set-
kach
w Gg
w od-
set-
kach
w Gg
w od-
set-
kach
OGÓŁEM
2376 1222 100,0 1120
811 100,0
464
457
100,0
Źródła stacjonarne:
energetyka
zawodowa
1223
642
52,5
377
246
30,3
64
38
8,2
energetyka
przemysłowa
384
209
17,1
111
90
11,1
19
17
3,7
technologie
przemysłowe
200
56
4,6
103
54
6,7
72
52
11,4
inne źródła
d
527
314
25,7
115
109
13,4
248
288
63,0
Źródła mobilne
42
2
0,1
414
312
38,5
61
63
13,7
a—c Patrz notki a, b, d do tabl. 21. d Kotłownie lokalne, paleniska domowe, rolnictwo i inne.
Źródło: Mały Rocznik Statystyczny 2007 GUS 2007
E N E R G E T Y K A I E K O L O G I A
I n s t y t u t M a s z y n C i e p l n y c h
81
Zapobieganie bardzo znacznemu zagroŜeniu środowiska ze
strony energetyki, spowodowanemu wydzielaniem duŜych ilo-
ści zanieczyszczeń gazowych (S0
2
i NO
x
) oraz pyłowych, po-
lega na stosowaniu następujących środków i działań:
-
wzbogacanie paliw;
1
-
odpylacze o duŜej skuteczności;
- wysokie kominy i koncentracja spalin (w jednym kominie) w
celu zwiększenia wyniesienia smugi dymu;
-
instalacje do odsiarczania spalin;
-
ograniczanie powstawania tlenków azotu oraz ich emisji;
- sieci kontrolno-alarmowe;
- spalanie paliwa interwencyjnego (w okresie niekorzystnych
warunków meteorologicznych);
- utylizacja odpadów paleniskowych;
- nowe technologie energetyczne, jak np. energetyka jądro-
wa, kotły fluidalne, zgazowanie węgla i in.
Udoskonalanie procesu wytwarzania energii elektrycznej
z węgla moŜna ująć w następujące obszary:
I.
Wzbogacanie węgla – oczyszczanie paliwa przed spala-
niem (Precombustion Cleaning)
II.
Czyste spalanie (Clean Combustion)
III.
Oczyszczanie spalin (Post-Combustion Cleaning)
IV.
Technologia konwersji węgla (Conversion)
V.
Inne
1
Środki i działania wyróŜnione kolorem niebieskim zostaną omówione szerzej
E N E R G E T Y K A I E K O L O G I A
I n s t y t u t M a s z y n C i e p l n y c h
82
Wzbogacanie węgla
– obecnie stosowane sposoby umoŜliwiają
usuwanie 30-50% siarki pirytowej
2
oraz 60% niepalnych czę-
ści mineralnych (popiołu). Stosowane są następujące metody
wzbogacania:
1.
Metody fizyczne
mielenie drobnoziarniste
udoskonalona flotacja pionowa
zastosowanie cieczy cięŜkich
flotacja mikropęcherzykowa
udoskonalone metody suche
2.
Metody chemiczne
ługowanie
stosowanie rozpuszczalników organicznych
3.
Metody mikrobiologiczne
wymywanie biologiczne
2
Piryt związek chemiczny siarki z Ŝelazem – siarczek Ŝelaza (FeS
2
)
E N E R G E T Y K A I E K O L O G I A
I n s t y t u t M a s z y n C i e p l n y c h
83
II.
Czyste spalanie
– zabiegi technologiczne i konstrukcyjne,
prowadzące do ograniczenia emisji tlenków azotu z moŜ-
liwością związania i usunięcia części siarki.
1.
Stosowanie nowych lub udoskonalonych komór spa-
lania i palników kotłowych
cyklonowe komory z ciekłym odprowadzeniem ŜuŜ-
la i dopalaniem gazu
wielostopniowe palniki z iniekcją wapnia
udoskonalone palniki o obniŜonej generacji NO
x
2.
Preparacja paliwa
przygotowanie zawiesin węglowo-wodnych
równoczesne spalanie węgla i gazu oraz spalanie
zawiesin węglowo-wodnych i gazu (układy wielo-
paliwowe)
3.
Stosowanie kotłów fluidalnych
(spełniają wymagania
ekologiczne bez konieczności stosowania urządzeń
dodatkowych)
III.
Oczyszczanie spalin
– obecnie najpopularniejszy obszar
udoskonalania technologii węglowych mimo, Ŝe ogranicza
się tu skutki, a nie przyczyny emisji:
1.
Odpylanie spalin (
elektrofiltry, filtry tkaninowe, cy-
klony,
komory osadcze)
E N E R G E T Y K A I E K O L O G I A
I n s t y t u t M a s z y n C i e p l n y c h
84
„III. Standardy emisyjne pyłu
1. Ze spalania węgla kamiennego
Standardy emisyjne pyłu w mg/m
3
u
, przy zawartości 6% tlenu w ga-
zach odlotowych
Źródła istniejące oddane do uŜytkowania przed
dniem 29 marca 1990 r.
Źródła istniejące
oddane do uŜytko-
wania po dniu 28
marca 1990 r.
Nominalna
moc cieplna
źródła w MW
Do
31.12.
2006 r.
od
01.01.
2007 r.
do
31.12.
2015 r.
Od
01.01.
2016 r.
źródła wymienione w
pkt IV.3. i 4. niniejsze-
go załącznika w okre-
sie od 01.01.2008 r.
do terminów tam okre-
ślonych
Do
31.12.
2015 r.
Od
01.01.
2016 r.
1
2
3
4
5
6
7
5
1.900
700
200
700
630
200
>=5 i < 50
1.000
400
1)
100
400
400
100
2)
>= 50 i <
500
350
3)
100
4)
100
350
100
100
500 <
350
3)
50
4),5)
50
5)
350
50
5)
50
5)
Objaśnienia:
1)
standard emisyjny pyłu ze źródeł, które oddano do uŜytkowania przed dniem 29 mar-
ca 1990 r., dla których prowadzący takie źródła zobowiązał się w pisemnej deklaracji, zło-
Ŝonej właściwemu organowi ochrony środowiska nie później niŜ do dnia 30 czerwca 2004
r., Ŝe źródło będzie uŜytkowane nie dłuŜej niŜ do dnia 31 grudnia 2015 r., a czas jego
uŜytkowania w okresie od dnia 1 stycznia 2008 r. do dnia 31 grudnia 2015 r. nie przekro-
czy 20.000 godzin, wynosi w okresie od 01.01.2007 r. do 31.12.2015 r. 700 mg/m
3
u
, przy
zawartości 6 % tlenu w gazach odlotowych.
2)
standard emisyjny pyłu ze źródeł wymienionych w pkt IV.3. załącznika wynosi - do
czasu określonego w tym punkcie - 400 mg/m
3
u
, przy zawartości 6 % tlenu w gazach od-
lotowych;
3)
wartości obowiązują do dnia 31 grudnia 2007 r.;
4)
wartości obowiązują od dnia 1 stycznia 2008 r.;
5)
dla źródeł, w których spalane jest paliwo stałe posiadające w stanie roboczym: war-
tość opałową mniejszą niŜ 5.800 kJ/kg, zawartość wilgoci większą niŜ 45% wagowych,
łączną zawartość wilgoci i popiołu większą niŜ 60% wagowych i zawartość tlenku wapnia
większą niŜ 10%, standard emisyjny wynosi 100 mg/m
3
u
, przy zawartości 6 % tlenu w
gazach odlotowych.”
Ź
ródło: ROZPORZĄDZENIE MINISTRA ŚRODOWISKA w sprawie standardów emisyjnych z instalacji
z dnia 20 grudnia 2005 r. Dziennik Ustaw z 2005 r. Nr 260 poz. 2181
Jest to przykładowy cytat z przepisów prawnych dotyczących
emisji zanieczyszczeń do środowiska.
E N E R G E T Y K A I E K O L O G I A
I n s t y t u t M a s z y n C i e p l n y c h
85
Elektrofiltry
Elektrofiltr
, zwany
odpylaczem elektrostatycznym
jest urządze-
niem, w którym usuwanie pyłu ze spalin następuje poprzez wykorzy-
stanie
siły elektrostatycznej
, działającej na cząstki tego pyłu.
Zasada działania elektrofiltru
Aktywną przestrzeń elektrofiltru tworzy układ elektrod wysokona-
pięciowych i zbiorczych umieszczonych względem siebie w pewnych
odstępach. Do elektrod wysokonapięciowych doprowadzane jest bar-
dzo wysokie stałe napięcie ujemne 30-100 kV, elektrody zbiorcze są
uziemione. W wyniku działania wysokiego napięcia pomiędzy elektro-
dami powstaje silne pole elektryczne i wyładowania koronowe. Czą-
steczki pyłu znajdujące się w strumieniu gazu przepływającego przez
aktywną przestrzeń pomiędzy elektrodami są ładowane przez jony
ujemne i uzyskują ładunek ujemny. Pod wpływem działania silnego po-
la elektrycznego naładowane cząstki pyłu przyciągane są do po-
wierzchnię elektrod zbiorczych, gdzie uwalniane są od ładunku elek-
trycznego. Pył jest strącany z elektrod zbiorczych poprzez wytrząsanie
mechaniczne i opada w dół do zsypu, skąd jest odprowadzany w spo-
sób ciągły na składowisko bądź zagospodarowywany jest do innych ce-
lów.
Rys. 56. Zasada
działania elektrofiltru
E N E R G E T Y K A I E K O L O G I A
I n s t y t u t M a s z y n C i e p l n y c h
86
Skuteczność usuwania pyłów od średnicy 10
µ
m w górę.
Prędkość przepływu spalin 0,9-3 m/s – sprawność 92-98%
Rys. 57. Schemat odpylacza elektrostatycznego
1.
System ścian rozdzielających dla równomiernego rozdziału
przepływu spalin
2.
Wnętrze elektrofiltru wraz z:
- systemem elektrod zbiorczych
- systemem elektrod wysokonapięciowych
3.
Zawieszenie systemu wysokonapięciowego
4.
Stożkowe izolatory wsporcze
5.
Elektrody wysokonapięciowe
6.
Elektrody zbiorcze
7.
Strzepywacze regenerujące elektrody wysokonapięciowe
i zbiorcze
8.
Zsypy zbiorcze na pył
E N E R G E T Y K A I E K O L O G I A
I n s t y t u t M a s z y n C i e p l n y c h
87
Rys. 58. Układy szeregowo-równoległych
elektrofiltrów siłownianych
Rys. 59. Przykład prze-
mysłowego wy-
konania elektro-
filtru
E N E R G E T Y K A I E K O L O G I A
I n s t y t u t M a s z y n C i e p l n y c h
88
Cyklon
Cyklon
(odpylacz cyklonowy) - urządzenie wykorzystywane
do oczyszczania gazów z cząstek stałych (pyłu) wykorzystują-
ce
siły bezwładności
. Stosowane do odpylania gazów w cie-
płowniach, elektrociepłowniach, hutach, itp. Skuteczność
działania – usuwają cząstki pyłu o wymiarach przekraczają-
cych 60 µm.
Skuteczność odpylania - cyklonu - jest tym większa im więk-
sza jest prędkość wlotowa, a takŜe im mniejszy promień.
Rys. 60. Konstrukcja cyklonu
3
1
2
E N E R G E T Y K A I E K O L O G I A
I n s t y t u t M a s z y n C i e p l n y c h
89
Filtry workowe
Rys. 62. Zasada działania jednego z typów
filtrów workowych
Rys. 61. Przykład
przemysłowej
instalacji
odpylającej
z cyklonami
E N E R G E T Y K A I E K O L O G I A
I n s t y t u t M a s z y n C i e p l n y c h
90
2.
Odsiarczanie spalin
Siarka zawarta w paliwie (węglu, benzynie, olejach napę-
dowych czy opałowych) wchodzi w reakcję z tlenem
z powietrza tworząc dwutlenek siarki zgodnie z reakcją:
S + O
2
= SO
2
,
dalsze utlenianie dwutlenku siarki daje trójtlenek:
2SO
2
+ O
2
= SO
3
,
z którego po połączeniu z wodą (mgła, deszcz) otrzymamy
kwas siarkowy:
SO
3
+ H
2
O = H
2
SO
4
,
Rys. 63. Przykład przemysłowej instalacji
odpylającej z filtrami workowymi
E N E R G E T Y K A I E K O L O G I A
I n s t y t u t M a s z y n C i e p l n y c h
91
opadający na ziemię w postaci tzw. kwaśnego deszczu.
Proces tworzenia kwaśnych deszczy moŜna znacznie ogra-
niczyć (zmniejszyć stęŜenie kwasów w wodzie deszczo-
wej), poprzez usuwanie dwutlenku siarki w instalacjach
odsiarczania, budowanych na terenie elektrowni.
Metody odsiarczania spalin:
a.
wykorzystujące chemiczne wiązanie SO
2
, po-
przez reakcję tego gazu z tzw. sorbentem (zwy-
kle związkami wapnia)
metody mokre (skuteczność >90%)
metody półsuche (skuteczność =20
÷
60%)
metody suche (skuteczność =20
÷
60%)
b.
wykorzystujące katalityczne przetworzenie SO
2
c.
wykorzystujące adsorpcję fizyczną na odpo-
wiednim złoŜu tzw. adsorbencie
Przykład metody mokrej.
Rys.64. Schemat ideowy (przykładowy) mokrej wapiennej metody
odsiarczania spalin
1 - komin, 2 - wentylator wspomagający, 3 - absorber, 4 - spaliny z kotła odzysknicowe-
go, 5 - mieszacz spalin (podgrzewacz), 6 - wentylator powietrza utleniającego, 7 - elimi-
nator kropel wody, 8 - sorbent (mleczko wapienne), 9 - recyrkulacja sorbentu, 10 - roz-
twór sorbentu z odwadniania gipsu, 11 - odwadnianie gipsu, 12 - zbiornik gipsu, 13 - bar-
ka
E N E R G E T Y K A I E K O L O G I A
I n s t y t u t M a s z y n C i e p l n y c h
92
Przebieg reakcji podczas mokrego odsiarczania spalin:
SO
2
+ H
2
O = H
2
SO
3
CaCO
3
+ H
2
SO
3
= CaSO
3
+ CO
2
+ H
2
O
2CaSO
3
+ O
2
= 2CaSO
4
Produkt otrzymywany to gips, łatwy w składowaniu lub uŜy-
wany jako surowiec w budownictwie.
Przykład metody półsuchej.
Rys. 65. Schemat ideowy półsuchej wapiennej metody Niro-Atomizer-
Fläkt odsiarczania spalin
1 - elektrofiltr, 2 - zbiornik wapna, 3 - zbiornik sorbentu, 4 - absorber, 5 - filtr workowy, 6
- zbiornik produktów odsiarczania
E N E R G E T Y K A I E K O L O G I A
I n s t y t u t M a s z y n C i e p l n y c h
93
Przykład metody suchej.
Sucha metoda
odsiarczania spalin
polega na doprowadzeniu
do komory spalania kotła zmielonego sorbentu w postaci ka-
mienia wapiennego CaCO
3
, kredy CaCO
3
, dolomitu
CaCO
3
MgCO
3
, wapna palonego CaO lub wapna hydratyzo-
wanego Ca(OH)
2
. Sorbent musi być zmielony na cząstki
o średnicy mniejszej niŜ 100 µm. Jest on doprowadzony do
komory spalania bezpośrednio z węglem lub z powietrzem
wtórnym, albo specjalnym systemem dysz. Reakcja ma prze-
bieg następujący:
CaCO
3
→ CaO + CO
2
CaO + SO
3
= CaSO
4
2CaO + 2SO
2
+ O
2
= 2CaSO
4
Skuteczność tej metody wynosi ok. 50%.
Produkt wyjściowy – gips – przechodzi do ŜuŜli i popiołów.
E N E R G E T Y K A I E K O L O G I A
I n s t y t u t M a s z y n C i e p l n y c h
94
3.
Odazotowywanie spalin
Podczas spalania paliw ok. 80% tlenków azotu powstaje
z azotu zawartego w paliwie. Ile jest azotu w paliwach?
W węglu 1-2%, w gazie ziemnym ok. 0,5% w oleju opa-
łowym 0,2-1%.
W procesach spalania powstaje tlenek azotu NO; dwutle-
nek NO
2
tworzy się poprzez utlenianie tlenku w powietrzu at-
mosferycznym.
Procentowe udziały tlenków azotu w spalinach są następu-
jące: 5% dwutlenek azotu, 95% tlenek azotu.
Rys. 66. Zawartość tlenków azotu w spalinach
w zaleŜności od temperatury spalania
Sposoby ograniczania emisji tlenków azotu:
•
właściwe ukształtowanie komory paleniskowej
•
stosowanie palników o specjalnej konstrukcji
•
dwustrefowe spalanie paliwa
•
recyrkulacja spalin do komory paleniskowej
•
zmniejszenie współczynnika nadmiaru powietrza
NO
x
1
[%]
10
-1
10
-2
10
-3
E N E R G E T Y K A I E K O L O G I A
I n s t y t u t M a s z y n C i e p l n y c h
95
W/w sposoby pozwalają zmniejszyć emisję NOx
o ok. 50%.
Szczegółowe opisy sposobów i dane dotyczące efektów
zmniejszania emisji tlenków azotu podaje literatura przedmio-
tu.
Do metod zmniejszania zawartości tlenków azotu w spali-
nach naleŜą:
•
selektywna redukcja katalityczna,
•
selektywna redukcja niekatalityczna,
•
metody absorpcyjne połączona z odsiarczaniem:
♦
metoda SHL (Saaberg-Holder-Lurgi)
♦
metoda WSA-SNOX (WSA – Wet Sulphuric Acid)
♦
metoda Bergau Forschung-Uhde
•
metoda radiacyjna
Rys. 67. Schemat pilotowej instalacji odsiarczania i odazotowywania
spalin metodą radiacyjną w Elektrociepłowni Kawęczyn.
1 - kondycjonowanie spalin, 2 - układ dozowania amoniaku, 3 - reaktor (komora napro-
mieniowania), 4 - filtracja i odbiór produktu
E N E R G E T Y K A I E K O L O G I A
I n s t y t u t M a s z y n C i e p l n y c h
96
4.
Technologia konwersji węgla (Conversion)
Ograniczanie emisji CO
2
Przyczyna dąŜenia do zmniejszenia emisji dwutlenku wę-
gla, jest głównie rola jaką ten gaz, wpływając na efekt cie-
plarniany, przyczynia się do globalnego ocieplenia.
Tabela 16. Procentowy udział CO
2
w gazach odlotowych
róŜnych procesów technologicznych
Wyszczególnienie
Koncentracja
CO
2
[% objętości]
Gazy spalinowe z elektrowni:
- kotły węglowe
14
- kotły gazowe
8
- gaz ziemny w cyklu kombinowanym
4
- spalanie węglowo – tlenowe
>80
Elektrownie z wychwytywaniem CO
2
przed spalaniem:
- zgazowanie węgla
40
- częściowe utlenianie gazów odlotowych
(gaz ziemny)
24
Gazy z pieców hutniczych:
- przed spalaniem
20
- po spaleniu
27
Gazy z wypalania cementu
4-23
Petrochemia i rafinerie
8
E N E R G E T Y K A I E K O L O G I A
I n s t y t u t M a s z y n C i e p l n y c h
97
Spalanie węgla generuje emisję CO
2
w ilości od 800 do
1200 gramów CO
2
na kilowatogodzinę energii elektrycznej.
Działania
mogące
ograniczyć
emisje CO
2
z elektrowni
i elektrociepłowni są roŜne ale
kaŜde jest waŜne
. Do takich
działań moŜna zaliczyć:
•
uszlachetnianie węgla przed spaleniem; efekt: CO
2
↓ 5%,
•
podniesienie sprawności konwersji energii w elek-
trowniach – szczególnie budowa bloków na parametry
nadkrytyczne (t = 620
o
C i p = 30 MPa), docelowo su-
pernadkrytyczne (t = 700
o
C i p = 37,5 MPa),
•
dywersyfikacja paliw – zastępowanie węgla olejem
opalowym lub lepiej gazem ziemnym,
•
wprowadzanie technologii zgazowania węgla:
zgazowanie węgla w kopalniach,
cykl kombinowany ze zintegrowanym zgazowa-
niem - IGCC (ang. integrated gasification combin-
ed cycle) sprawność (45-55)%,
•
sekwestracja dwutlenku węgla w kaŜdym procesie
spalania.
Rys. 67. Poglądowy rysunek układu gazowo-parowego
E N E R G E T Y K A I E K O L O G I A
I n s t y t u t M a s z y n C i e p l n y c h
98
Rys. 67. Separacja CO
2
Inne
nie związane
(lub
związane
) bezpośrednio ze spala-
niem węgli, sposoby ograniczania emisji CO
2
:
•
wprowadzenie kombinowanych cykli gazowo-
parowych (CCGT) (combined cycle gas turbine),
•
zastępowanie elektrowni elektrociepłowniami,
•
budowa elektrowni jądrowych,
•
wprowadzanie odnawialnych źródeł energii,