Strojniški vestnik - Journal of Mechanical Engineering 51(2005)5, 240-251 UDK - UDC 662.61:504.05 Strokovni članek - Speciality paper (1.04) Zmanjševanje emisij dušikovih oksidov z rekonstrukcijo zgorevalnega sistema kotlov v Termoelektrarni toplarni Ljubljana The Reduction of Nitrogen Oxide Emissions by the Boiler Firing System Reconstruction at the Power Plant Ljubljana Janez Oman - Igor Kuštrin - Igor Bole - Primož Gostinčar Do konca leta 2007 bo v Sloveniji dovoljena emisija NO znašala 650 mg/m3, od 2008 naprej pa 600 mg/m3, za kurilne naprave z močjo od 50 do 500 MW. V Termoelektrarni toplarni Ljubljana, katere emisije so pogosto presegale zgoraj napisane meje, je bilo potrebno izvesti rekonstrukcijo zgorevalnih sistemov kotlov 1 in 2. Po rekonstrukciji zgorevalnega sistema kotla 3, ki je bila izvedena z uvoženim znanjem, sta bila kotla 1 in 2 glavna vira emisij NO in CO. Rekonstrukcija je bila na obeh kotlih v celoti izvedena z znanjem strokovnjakov Termoelektrarne toplarne Ljubljana in Fakultete za strojništvo Ljubljana. V prispevku je opisana izvedba in rezultati rekonstrukcije, ki je imela za posledico, poleg zmanjšanja emisij daleč pod dopustne meje, tudi opazno povečanje izkoristkov obeh kotlov. © 2005 Strojniški vestnik. Vse pravice pridržane. (Ključne besede: emisije NOx, sistemi zgorevalni, učinkovitost zgorevanja, gorilniki) In Slovenia, NO emissions from boilers of 50 to 500 MW must be under 650 mg/m3 by the end of year 2007. Afterwards, the limit will be 600mg/m3. The emissions of the Power Plant Ljubljana have often exceeded the stated limiting values. After the reconstruction of the firing system of boiler 3, which was carried out using knowledge from abroad, it was necessary to reconstruct the firing systems of boilers 1 and 2, which remained the main sources of NO and CO emissions. The reconstruction based on domestic knowledge was carried out by experts from the Power Plant Ljubljana and the Faculty of Mechanical Engineering, Ljubljana. The paper describes the essence of the reconstruction and its results. Besides lower emissions there was also a significant improvement in the efficiencies of the boilers. © 2005 Journal of Mechanical Engineering. All rights reserved. (Keywords: NO emission, combustion systems, efficiency, burners) 0 UVOD Visokotlačna parna kotla 1 in 2 v Termoelektrarni toplarni Ljubljana (TETOL) sta bila izdelana leta 1964 in dograjena leta 1967. V sklopu toplarniškega postrojenja sta namenjena za proizvodnjo pare, ki se uporablja za proizvodnjo električne energije in toplote za ogrevanje mesta Ljubljana. Vsak kotel proizvaja 180 t/h pare s tlakom 95 bar in temperaturo 530 °C, imenska toplotna moč kotlov je 128 MW, gorivo je premog s kurilnostjo 18 MJ/kg. Da bi zmanjšali onesnaževanje okolja, so se od leta 1993 dalje v TETOLu preusmerjali na uporabo ekološko bolj sprejemljivih uvoženih premogov z majhnim deležem žvepla in pepela. Problem prevelikih emisij prašnih delcev so na kotlih 1 in 2 odpravili v letih 1994 in 1995 z zamenjavo elektrofiltrov z vrečastimi filtri. Problem prevelikih emisij NO pa je bil v TETOL še vedno opazen. Iz poročila [1] je razvidno, da je bila v poletnih mesecih leta 2002, ko je obratoval samo blok 1, izmerjena povprečna koncentracija dušikovih oksidov, NO , 746 mg/m3. Pri spremembi obremenitve kotla pa se je koncentracija NO zvečala tudi do 900 mg/m3. Dovoljena emisija NO bo do konca leta 2007 znašala 650 mg/m3, od 2008 naprej pa 600 mg/m3 za kurilne naprave z močjo od 50 do 500 MW. 240 Strojniški vestnik - Journal of Mechanical Engineering 51(2005)5, 240-251 Temelj za odločitev za rekonstrukcijo zgorevalnih sistemov na kotlih 1 in 2 so bili preizkusi in meritve [2], iz katerih je razvidno, da je mogoče že s sedanjim sistemom zgorevanja opazno zmanjšati emisijo NO . Eden od pogojev za zmanjšanje emisije NO je bilo zmanjšanje količine zgorevalnega zraka. V času meritev je bilo z dodatnimi nastavitvami prerazporeditve zgorevalnega zraka pri največji obremenitvi kotla doseženo zmanjšanje NO iz 658 mg/m3 na 441 mg/m3. Bistvo posega je bilo zmanjšanje pretoka zgorevalnega zraka na 68% običajnega pretoka. Drugi ukrep za zmanjšanje emisije NO pa se je nanašal na ustreznejšo razporeditev zgorevalnega zraka, česar pa s tedanjo regulacijo zgorevalnega sistema in konstrukcijsko zasnovo gorilnikov ni bilo mogoče avtomatično doseči. Odločitev za rekonstrukcijo zgorevalnih sistemov je bila sprejeta z gospodarskim načrtom TETOL za leto 2003, na kotlu 1 je bil izveden projekt v letu 2003 in na kotlu 2 v letu 2004. Analiza pretokov zgorevalnega zraka kotla bloka 2 je pokazala, da je mogoče z rekonstrukcijo zgorevalnega sistema izboljšati izkoristek kotla za najmanj 1%, kar bi skupaj za kotla 1 in 2 pomenilo za 2500 t/leto manjšo porabo premoga, za 4,5 t/leto manjšo emisijo CO2 in tudi ustrezno zmanjšanje emisije trdnih delcev. Odločeno je bilo, da bo projekt rekonstrukcije izpeljan na podlagi lastnih izkušenj in Preglednica 1: * - atomarni kisik se pojavlja zaradi disociacije molekul O2 lastnega znanja. Začetek montažnih del na kotlu 1 je bil v avgustu 2003, konec pa v oktobru istega leta, ko je bil kotel 1 dan v obratovanje. V prispevku so predstavljena tudi teoretična izhodišča nastajanja dušikovih oksidov in splošni ukrepi pri postopku zgorevanja premogovega prahu, s katerimi je bistveno zmanjšana možnost nastajanja dušikovih oksidov. Prikazane so pomanjkljivosti starih zgorevalnih sistemov na kotlih blokov 1 in 2. Predstavljena so izhodišča, ki so bila uporabljena kot osnova za rekonstrukcijo sedanjih zgorevalnih sistemov v teh kotlih. Predstavljeni rezultati meritev na kotlu 1, izvedeni po rekonstrukciji kurjave, potrjujejo uspešnost izvedene predelave sistema za zgorevanje. 1 VPLIVNI DEJAVNIKI IN POGOJI ZA NASTAJANJE NOX PRI KURJAVAH NA PREMOGOV PRAH Dušikove okside NO in NO2 označujemo s skupno oznako NO . Delež NO2 v skupni količini NO je običajno manjši od 5 %, prevladuje torej NO. Mehanizmi nastanka NO so raznovrstni, dejansko pa ločimo tri osnovne postopke [3]: - termični NO, - tako imenovani takojšni NO in - NO iz goriva, ki nastaja iz dušikovih spojin v gorivu. 2 Vrsta dušikovega oksida Mesto nastajanja Okoliščine Pogoji za nastanek NO termični v plamenu in v poznejših reakcijah presežek kisika: O + N2 = NO + N N + O2=NO + O presežek goriva: N + OH = NO + H prisotnost atomarnega kisika * zadrževalni čas, temperatura nad 1300 °C takojšni v plamenu zaradi prisotnosti HCN skupine, ki nastaja iz: CN + H2O = HCN +OH CH + N2 = HCN + N prisotnost atomarnega kisika * potek l zgorevanja, iz goriva v plamenu zaradi HCN in NH3 skupine prisotnost N, O2 čas zadrževanja NO2 dimni kanali, katalitično okolje O+N2 +M = N2O+M M - tretja snov NO +O2 = 2NO2 prisotnost O2 temperatura pod 650°C, čas Zniževanje emisij dušikovih oksidov - The Reduction of Nitrogen Oxide Emissions 241 Strojniški vestnik - Journal of Mechanical Engineering 51(2005)5, 240-251 V preglednici 1 so prikazane okoliščine nastajanja dušikovih oksidov pri zgorevanju v kotlih. Hitrost nastajanja NO je odvisna od vrste reakcije. V splošnem velja, da x najhitreje potekajo reakcije nastajanja takojšnih dušikovih oksidov, najbolj počasi pa poteka reakcija nastanka termičnega NO. 1.1 Termični NO Osnovne reakcije zaporednega nastajanja termičnega NO, ki so prikazane v preglednici 1. potekajo v naslednjem zaporedju [4]: reakcije in količina nastalih dušikovih oksidov je odvisna predvsem od višine temperature. V reakcijah (2) in (3) sodeluje atomarni dušik v navidezno stabilnem stanju, zato je potek teh reakcij zelo hiter, kar omogoča, da reakcijsko hitrost nastajanja termičnega NO lahko zanesljivo opišemo le kot funkcijo hitrosti poteka reakcije (1) [5]: d[NO] dt 2k1[O].[N2 (4). O + N2^k,^NO + N, k1 = 1,8 . 1020 exp(-318 kJ mol 1/(RT)) m3/(mol s) N + O2^k2^NO + O, k2 = 9,0 . 10 15 exp( -27 kJ mol 1/(RT)) m3/(mol s) N + OH^k^-NO + H, k3 = 2,8 . 10-19 m3/(mol s) (1) (2) (3). Reakcija (1) je izhodiščna, torej prva v verigi reakcij. Hitrost poteka te reakcije določa količino termičnega NO, ki nastaja po reakcijah (2) in (3). Zaradi visoke aktivacijske energije reakcije, 318 kJ/mol, poteka reakcija (1) le pri visokih temperaturah, kar daje ime nastalim dušikovim oksidom. Hitrost poteka k1/ (m 3 mol -1s-1 ) 10 -16n 10-1 -20 10 10-2 -24 10 10-2 Iz izraza (4) je vidno, da je reakcijsko hitrost nastajanja termičnega NO mogoče zmanjšati z zmanjševanjem koncentracij [O] in [N2] ter z zniževanjem ravnotežne konstante k1 . Vrednost ravnotežne konstante se hitro zmanjšuje z nižanjem temperature. Pojav termičnega NO lahko pričakujemo v plamenih, kjer so temperature nad 1300 °C, zato so koncentracije termičnega NO v kuriščih z višjo toplotno obremenitvijo večje kakor v manj toplotno obremenjenih kuriščih. 1.2 Takojšni NO Takojšne dušikove okside imenujemo tudi zgodnje, ker nastajajo že na čelu plamena. Mehanizem nastajanja takojšnega NO je bolj zapleten od mehanizma nastajanja termičnih dušikovih oksidov. Nastanek takojšnih NO je posledica navzočnosti radikala CH, ki je rezultat vmesnih reakcij na čelu Thompson et al. priporočeno 104 K 0,5 1,5 2,5 3,5 4,5 5,5 6,5 T Sl. 1. Odvisnost k = k(1/T) za reakcijo O + N ^ NO + N [13] 242 Oman J. - Kuštrin I. - Bole I. - Gostinčar P. Strojniški vestnik - Journal of Mechanical Engineering 51(2005)5, 240-251 plamena. CH reagira najprej z dušikom iz zraka, nakar v navzočnosti kisika nastaja tudi NO [6]. Iz obširnega spiska mogočih reakcij s hidrokarbonatnimi skupinami šteje kot pomembna za nastanek dušikovih oksidov [7], predvsem naslednja reakcija: CH +N2 ->¦ HCN N (5). Tu nastaja atomarni dušik, ki je v navidezno stabilnem stanju. Atom dušika se nagiba k oddajanju elektronov in se zelo hitro veže s kisikom v NO. Osnova za nastajanje takojšnega NO je torej navzočnost ogljikovodikovih radikalov in atomarnega dušika. Taka stanja so značilna za plamen, v katerem poteka zgorevanje pri razmerniku zraka manjšem od 1, to je plamen, ki je bogat z gorivom. Aktivacijska energija reakcije (5) je majhna, zato takojšni NO nastaja tudi pri sorazmerno nizkih temperaturah, okrog 700 °C. Atomarni dušik nastaja tudi pri reakciji: C + N2^CN N (6), ki pa šteje kot manj pomembna. Višanje temperature izrazito pospeši nastajanje takojšnega NO po obeh reakcijah. V takih plamenih je od skupno nastalih dušikovih oksidov delež takojšnega NO lahko pri visokih temperaturah večji od deleža termičnega NO [8]. Pomembna ugotovitev je, da je za nastanek termičnih in takojšnih dušikovih oksidov ključna navzočnost atomarnega dušika v plamenu. 1.3 NO iz dušikovih spojin v premogu Večina raziskovalcev šteje dušik, vezan v snovi goriva, za najpomembnejši vir dušikovih oksidov pri zgorevanju premogov, pri katerih imajo NO iz goriva tudi preko 75-odstotni delež od skupnih NO v dimnih plinih [7]. Vzrok nastanka NO je razpad komponent, ki vsebujejo dušik. Razlog je v sorazmerno nizkih temperaturah zgorevanja in lokalnih pojavih s premogom prebogatih mešanic v plamenu. NO iz goriva nastaja hitreje od termičnega, ker so N - H in N - C vezi dušika v premogu bistveno šibkejše od vezi v molekuli dušika, ki morajo pri nastajanju termičnega NO disociirati. Reakcije potekajo med snovmi plinaste faze, torej med hlapnimi komponentami premoga, zato prispevajo k nastanku tovrstnih dušikovih oksidov le dušikove spojine v letečih delcih. V začetni fazi gorenja dušik izpareva iz katranov kot HCN v obliki letečih delcev. Sprememba v HCN spojine je neodvisna od oblike vezanosti dušika v izvirnih snoveh. Reakcije potekajo naprej: N izg _ goriva —> HCN —> NH O2 NO NO (x = 1, 2, 3) (7). N2 HCN razpada v amine, NH , ti pa naprej ali oksidirajo v NO ali reagirajo z NO in ustvarjajo N. Iz reakcije (7) je vidno, da pri večjih koncentracijah dušikovih spojin prihaja do njihovih medsebojnih reakcij, v katerih zopet nastaja molekularni dušik N. Molekularni dušik nastaja tudi pri reakciji, ko se NO veže z atomarnim dušikom: N +NO —> N2 +O (8). Dušik je v premogu večinoma vezan v stabilnih krožnih aromatskih spojinah. V fazi termičnega razpada se večina dušika iztrga iz teh spojin in se primeša preostalim letečim delcem. Dušikovi ostanki pirolize so HCN, NH3 in tudi nitroskupine v katranu. Pri kurjavah s premogovim prahom je prav to glavni razlog, da nastaja največ NO iz dušikovih spojin v letečih delcih, ki se pri zgorevanju delcev premoga izplinjajo v fazi pirolize. 2 DUŠIKOVI OKSIDI PRI KURJAVAH NA PREMOGOV PRAH 2.1 Kemične reakcije in vpliv sestave premoga na nastajanje NOx Dejstvo je, da delež dušika v gorivu vpliva na koncentracijo dušikovih oksidov v dimnih plinih. Rezultati meritev pri premogih, ki vsebujejo 1 % dušika, v primerjavi s premogi, ki vsebujejo 2 % dušika, pokažejo približno 50 % različne emisije NO . Čeprav so rezultati preizkusov pokazali, da pri premogih z enakim deležem dušika vendar z različnim deležem letečih delcev ni zaznati bistvenih razlik emisij dušikovih oksidov, pa se po drugi strani izkaže, da so leteči delci glavni vir dušikovih oksidov. Dušik, vezan v plinastih spojinah, je bolj nagnjen k oksidiranju kakor dušik, ki je trdno vezan v koksni strukturi premoga. Pri povezavi med deležem dušika v premogu in emisijami NO je torej najbolj pomembno dejstvo, koliko dušika je v izparljivi masi premoga. Večji deleži izparljive mase, letečih delcev, x Zniževanje emisij dušikovih oksidov - The Reduction of Nitrogen Oxide Emissions 243 Strojniški vestnik - Journal of Mechanical Engineering 51(2005)5, 240-251 kar je npr. lastnost bituminoznih premogov, neposredno ne vplivajo na povečanje količine dušikovih oksidov. Vpliv količine letečih delcev je le posreden, saj je večja količina letečih delcev vzrok za višje lokalne temperature v plamenu, ki najprej povzročijo, da se upari več dušika, potem pa pospešujejo oksidacijo dušika iz goriva in tudi dušika iz zgorevalnega zraka. Zaradi zapletenih razmerij med dinamiko v gorilniku in kemičnimi reakcijami v splošnem ni preprosto določiti, katera reakcija je pri nastajanju dušikovih oksidov prevladujoča. Pri kurjavah na premogov prah vseeno velja, da je dušik v izparljivih dušikovih spojinah premoga najpomembnejši vir dušikovih oksidov. Koncentracije termičnega NO so v splošnem pri kurjavah na premogov prah majhne, delno pa prevladujejo v reakcijah za plamenom tam, kjer se dodaja dodatni zrak nad plamenom. Pomembnejše količine termičnega NO nastajajo v premogovih plamenih le pri temperaturah nad 1650 Mehanizem nastajanja takojšnega NO pri kurjenju s premogom oziroma pri kurjavah na premogov prah ni tipičen in tudi ne zelo pomemben pojav [7]. Pomembni so torej postopki nastajanja dušikovih oksidov iz kemično vezanega dušika v premogu. V neugodnih razmerah se v NO lahko spremeni do 50 % dušika iz letečih delcev premoga. Dejanska količina oksidiranega dušika iz letečih delcev pa je v praksi bistveno odvisna od postopkov mešanja v plamenu, od razporeditve in višine temperatur ter od stehiometričnih razmer pri zgorevanju. Končna koncentracija NO iz dušikovih spojin premoga je manjša pri zgorevanju z gorivom bogatih mešanic. Koncentracijo NO iz goriva zmanjšuje tudi navzočnost drugih dušikovih spojin, ker prihaja do medsebojnih reakcij in nastajanja N, kakor je prikazano v enačbah (7) in (8). Čeprav v tem postopku temperatura plamena nima tako pomembne vloge kakor pri nastajanju termičnega NO, se je vseeno treba izogibati lokalnim pojavom visokih temperatur. 2.2 Primarni ukrepi za zmanjševanje emisije dušikovih oksidov Ugotovili smo, da je pri kurjavah na premogov prah glavni vir dušikovih oksidov dušik iz goriva, ki je kemično vezan v izparljivi masi premoga. Rezultati osnovnih raziskav in strokovnih izkušenj, ki so predstavljeni v prejšnjih poglavjih, pokažejo, da je mogoče skonstruirati kurilne naprave in postopek kurjenja tako, da v postopku kurjenja nastanejo pogoji za zmanjšanje količine dušikovih oksidov, ki nastanejo iz dušikovih spojin v gorivu. Preurediti je treba dovode goriva, spremeniti obliko in velikost gorilnikov, prilagoditi dovode zgorevalnega zraka in rekonstruirati sistem obtoka vročih in hladnih dimnih plinov. Neprijetno je, da prav načelo kakovostnega kurjenja premoga, ki je povezano z zgorevanjem pri visokih temperaturah in z zadostno količino zraka za zgorevanje, pospešuje nastajanje dušikovih oksidov. Za zmanjševanje nastajanja dušikovih oksidov iz dušikovih spojin v gorivu in takojšnih dušikovih oksidov je pri kurjavah na premogov prah osnovni ukrep stopenjsko zgorevanje. S preoblikovanjem običajnih kurilnih naprav je mogoče tako zmanjšati emisijo dušikovih oksidov za 50 do 80 odstotkov. Postopek poteka v več stopnjah. Na prvi stopnji, takoj po izstopu iz gorilnikov, vzpostavimo razmere z gorivom bogate mešanice, v kateri je razmernik zraka manjši od teoretično potrebnega in se giblje okoli vrednosti 0,7. Namen te faze kurjenja je, da se zmanjša nastajanje zmesi NO + HCN + NH . Po tej stopnji se vzpostavijo razmere zgorevanja s kisikom bogatejšo mešanico, tako da se na tej drugi stopnji razmernik zraka giblje okoli vrednosti 1. N in N, ki sta nastala v prvi fazi, bosta oksidirala v NO, ker je na tem mestu v kurišču temperatura plamena zaradi prenosa toplote s sevanjem v uparjalnik že nižja. Če na koncu te stopnje poskrbimo še za presežek kisika, se bo nekoliko zmanjšal tudi delež že nastalih NO. Na tretji stopnji zopet dodamo gorivo, kar vzpostavi razmere za ponovno redukcijo NO. V mešanicah, bogatih z gorivom, nastajajo CH radikali, ki povzročajo redukcijo dušikovih oksidov po i reakciji [9]: Za zmanjšanje nastanka termičnih dušikovih oksidov so ukrepi nekoliko drugačni. Reakcija nastajanja termičnega NO potrebuje veliko energijo aktiviranja, zato nižanje temperaturnih konic v plamenu bistveno pripomore k zmanjševanju nastajanja termičnih NO. Ukrepi nižanja temperaturnih konic v plamenu so različni. Lahko dodajamo neaktivne snovi, npr. dušik, vodo ali hladne dimne pline, ki prevzemajo presežke sproščene energije v plamenu in znižajo temperaturo. Temperaturne konice nižamo tudi tako, da se gorivo in zgorevalni zrak ne mešata pred izstopom iz gorilnika, temveč neposredno v območju zgorevanja. 244 Oman J. - Kuštrin I. - Bole I. - Gostinčar P. Strojniški vestnik - Journal of Mechanical Engineering 51(2005)5, 240-251 2000 1800 2 1600 f 1400 1200 Najvišja temp, plamena Nadzor najvišje temp, plan Zgorevanje z zelo malo NOx Gorilnik Konec Oddaljenost od gorilnika Sl. 2. Vpliv temperature plamena na nastanek NOx 2.3 Posledice ukrepov za zmanjšanje emisije dušikovih oksidov Okoliščine, ki nastanejo v kurišču po vzpostavitvi razmer za zmanjšanje emisije dušikovih oksidov, niso v skladu z optimalnimi razmerami za zgorevanje pri kurjavah na premogov prah. Pričakujemo lahko, da se bodo hkrati z ukrepi za zmanjšanje NO pojavile v kurišču in na kotlu določene težave in neželeni stranski pojavi [10]. Mogoče neželene in škodljive učinke lahko strnemo v naslednje skupine: - Znižanje temperatur in manjši presežki zgorevalnega zraka povzročijo povečanje izgub zaradi nezgorelih deležev v pepelu, žlindri in dimnih plinih ter s tem znižanje izkoristka kotla. - Zaradi spremembe značilnic plamena se prerazporedijo toplotni tokovi med ogrevalne površine kotla, kar lahko povzroči, da se s sedaj vgrajenimi ogrevalnimi površinami in krmilno opremo težko vzdržuje ali imenske količine ali imenske parametre sveže pare. - Redukcijska atmosfera v kurišču povzroča znižanje temperature taljenja pepela in povečuje možnost zažlindravanja grevalnih površin. Redukcijska atmosfera pospešuje tudi korozijo sten cevi na strani dimnih plinov. - Pri najmanjših obremenitvah kotla se zmanjša stabilnost plamena, zaradi česar je treba omejiti najmanjšo moč kotla. - Plamen se podaljša, kar lahko povzroča težave na ogrevalnih površinah za kuriščem. - Zaradi povečanja masnega pretoka obtočnih dimnih plinov, povečanja pretočnih uporov skozi gorilnike in zaradi zahtevane večje drobnosti mletja premoga se poveča lastna raba električne moči kotla. 3 REKONSTRUKCIJA GORILNIKOV IN KURJAVE NA KOTLIH 1 IN 2 3.1 Kurjava pred rekonstrukcijo Na temelju opisanih teoretičnih spoznanj in praktičnih izkušenj strokovnjakov iz TE-TO je bila izvedena rekonstrukcija gorilnikov in kurjave, najprej na kotlu 1, potem pa še na kotlu 2. Pred rekonstrukcijo razvoda zgorevalnega zraka in gorilnikov na kotlih 1 in 2 je vsak mlin napajal tri gorilnike. Dovajanje sekundarnega zraka se je krmililo z ročnimi loputami. Sekundarni zrak je bil razdeljen na zrak nad zgornjim gorilnikom, zrak pod spodnjim gorilnikom in sredinski zrak. Z daljinskim krmiljenjem je bilo obremenitvi mogoče prilagajati le količino primarnega zgorevalnega zraka. Ker se je temperatura prašne zmesi za mlini uravnavala z dodajanjem primarnega zraka pred mlini (sl. 3), je bilo tega zraka vedno preveč, oziroma več kolikor bi ga bilo treba za kakovostno zgorevanje. Zaradi prevelikega presežka zgorevalnega zraka so bile izgube s toploto dimnih plinov prevelike, izkoristek kotla pa nižji. Prevelika količina primarnega zraka je povzročala tudi velike emisije NO , včasih pa tudi samovžig premoga pred gorilnikom. Zaradi Zniževanje emisij dušikovih oksidov - The Reduction of Nitrogen Oxide Emissions 245 Strojniški vestnik - Journal of Mechanical Engineering 51(2005)5, 240-251 STARO STANJE NOVO STANJE VROČI RECIRKULIRANI DIMNI PLINI ZGOREVALNI ZRAK VROČI RECIRKULIRANI DIMNI PLINI SEKUNDARNI ZRAK STENA KURIŠČA E SEKUNDARNI ZRAK STENA KURIŠČA " Sl. 3. Razvod zgorevalnega zraka in hladnih obtočnih plinov pred rekonstrukcijo in po njej samovžigov so se pojavljale deformacije prahovodnih kanalov in poškodbe na obzidavi gorilnikov, kar je zmanjševalo zanesljivost obratovanja. Pred rekonstrukcijo se je količina zgorevalnega zraka prilagajala obremenitvi kotla. Pretok zgorevalnega zraka je bil merjen v sesalnih kanalih vetril podpiha. Dejanska količina zgorevalnega zraka, ki je vstopala v kotel, je bila vedno precej manjša od izmerjene. Vzrok za to so bile vedno navzoče netesnosti vrtilnih obnovljivih grelnikov zraka. Razlika med izmerjeno in dejansko količino je bila odvisna od absolutnega tlaka v zračnih in dimnih kanalih na vstopu v grelnik zraka. Pri večji tlačni razliki je bil vdor zraka v dimni kanal večji in nasprotno, tako da ni bilo nikoli zanesljivo, koliko nadzorovanega zgorevalnega zraka je dejansko vstopilo v kotel. 3.2 Rekonstrukcija kurjave Rekonstrukcija gorilnikov, sistema krmiljenja in razvoda zgorevalnega zraka ter sistema obtoka dimnih plinov je bila načrtovana in izvedena tako, da so bili doseženi naslednji učinki: - manjši presežki zgorevalnega zraka in boljši izkoristek kotla, - doseganje zakonsko dovoljenih emisij dušikovih oksidov in ogljikovega monoksida. Prvi cilj je mogoče doseči z nadzorovanim dovajanjem zgorevalnega zraka, temperatura v mlinih pa se uravnava s primešavanjem hladnih obtočnih dimnih plinov. Drugi cilj je dosegljiv z novo konstrukcijo gorilnikov, ki omogočajo nadzorovano dovajanje zgorevalnega zraka in so izdelani v skladu z najsodobnejšimi spoznanji o gorilnikih, ki dajejo malo dušikovih oksidov. 3.2.1 Gorilniki Prvotno sta imela kotla štiri gorilnike s štirimi pravokotnimi izstopnimi šobami, ki so jih zaradi premajhnih izstopnih hitrosti iz gorilnikov in nestabilnega plamena leta 1992 zamenjali s tremi pravokotnimi šobami, kakor je prikazano na sliki 4, levo. Vsak gorilnik je imel razporeditev sekundarnega zraka zgoraj, spodaj in med izstopnimi šobami. 246 Oman J. - Kuštrin I. - Bole I. - Gostinčar P. Strojniški vestnik - Journal of Mechanical Engineering 51(2005)5, 240-251 Sl. 4. Fotografiji starih in novih gorilnikov To staro obliko gorilnikov so pri odprtosti lopute. Meritve so bile opravljene v času rekonstrukciji nadomestili z gorilniki vrtinčnega tipa. preizkusnega obratovanja pri znanem in V vsak vogal kurišča so namestili po dve gorilniški nespremenljivem tlaku zraka pred loputami in v šobi s toplotno močjo 35 MW (sl. 4, desno). Šobe so kurišču. Z uporabo podatkov o tlaku in temperaturi izdelane posebej za indonezijski premog, katerega zgorevalnega zraka v kanalu ter odprtosti lopute se uporabljajo v vseh treh kotlih. Zmes premogovega med obratovanjem sproti izračunava pretok prahu, vročih dimnih plinov in primarnega zraka se sekundarnega zraka skozi loputo. Enak tlak pred vrtinci iz osrednjega dela šobe gorilnika, po zunanjem vsako loputo je zagotovljen s sklenjenim obročnim kolobarju pa se dovaja sekundarni zrak, ki se vrtinci kanalom sekundarnega zraka okoli kotla. Krmiljenje v nasprotni smeri. Tako se premog in sekundarni dovoda zgorevalnega zraka je bila spremenjena tako, zrak zmešata šele v območju zgorevanja in ne prej, da vetrili podpiha sedaj vzdržujeta stalen tlak doseženo pa je tudi dobro mešanje zraka in zgorevalnega zraka v tem obročnem kanalu. premogovega prahu. Odločitev za dve šobi v gorilniku namesto treh je temeljila na dejstvu, da je 3.2.3 Hitrosti v kanalih tako laže in preprosteje uravnoteženo porazdeliti premogov prah in sekundarni zrak med šobe. Pri Za dobro delovanje novih gorilnikov so optimiranju zgorevanja na kotlu 1 in kotlu 2, se je potrebni nekateri pogoji. Hitrosti prašne zmesi v potrdila pravilnost odločitve za dve šobi v vsakem ustjih gorilnikov morajo biti okoli 18 m/s, gorilniku. zagotovljena mora biti tudi ustrezna kakovost mletja in enakomerna porazdelitev premogovega prahu in 3.2.2 Sekundarni zrak zraka med šobe gorilnika. Če so hitrosti prevelike, se plamen trga od ustja gorilnika, če pa so premajhne, Za uravnavanje količine sekundarnega se plamen širi v ustje gorilnika in ga poškoduje. zraka, ki vstopa v gorilnike, so vgrajene daljinsko Prevelike hitrosti v prahovodnih kanalih odnašajo krmiljene lopute. Z vsako posamezno loputo se tudi večji delež velikih delcev premogovega prahu iz uravnava količina sekundarnega zraka za obe šobi mlina proti gorilniku. Preveliki delci v kurišču ne posameznega gorilnika. Količina sekundarnega zraka, zgorijo in se izločijo kot nezgorelo v žlindri ali kot oziroma odprtost loput v kanalih sekundarnega zraka, nezgorelo v pepelu, kar slabša izkoristek kotla. V času se prilagaja obremenitvi dodajalnikov po algoritmu, preizkusnega obratovanja so bile izvedene meritve vgrajenem v sistem za krmiljenje zgorevanja. hitrosti v prahovodnih kanalih pred posameznimi Namesto vgradnje neposrednih meritev šobami gorilnikov [11]. Hkrati se je odsesaval pretoka sekundarnega zraka so bile opravljene premogov prah za analizo kakovosti mletja in za enkratne meritve odvisnosti pretoka zraka od ugotovitev porazdelitve premogovega prahu med Zniževanje emisij dušikovih oksidov - The Reduction of Nitrogen Oxide Emissions 247 Strojniški vestnik - Journal of Mechanical Engineering 51(2005)5, 240-251 posamezne gorilnike in šobe. Pri prvem merjenju so bile hitrosti v ustjih gorilnikov prevelike in so se gibale med 24 in 28 m/s. Tudi kakovost mletja ni bila ustrezna, porazdelitev premogovega prahu med šobi posameznega gorilnika pa ni bila uravnotežena. Da bi zmanjšali hitrosti v ustjih gorilnikov, so bile na rotorje mlinov nameščene udarne plošče z manjšo površino. Pri ponovnem merjenju so bile hitrosti v ustjih gorilnikov med 19 in 23 m/s. Zaradi manjših hitrosti se je zmanjšal delež večjih delcev v premogovem prahu. Z nastavitvijo lege prahovodnih loput med mlini in gorilniki, se je uravnotežila porazdelitev premogovega prahu med šobi posameznega gorilnika. 3.2.4 Uravnava temperatur v mlinih Temperatura zmesi vročih plinov in premoga za mlinom, ki se je prej uravnavala z dodajanjem primarnega zraka, se po rekonstrukciji vzdržuje s hladnimi obtočnimi dimnimi plini iz zveznega kanala dimnih plinov tik ob mlinih. Lopute primarnega zraka in hladnega zraka so sedaj ves čas zaprte. Spremenjen način vzdrževanja temperature za mlinom zahteva 800----------------------------------------------------------------- 743 700 600 500 400 300 200 100 Kotel 1 698 Oktober 2001 December 2003 dobavo večje količine obtočnih dimnih plinov. Zato je bil prigrajeno dodatno vetrilo. To je tudi povečalo zanesljivost obratovanja kotla, saj je okvara edinega vetrila hladnih obtočnih plinov prej ogrozila obratovanje kotla. 4 ANALIZA REZULTATOV MERITEV Po končanih nastavitvah gorilnikov in porazdelitvah zgorevalnega zraka so bile na kotlu 1 opravljeni preizkusi kakovosti obratovanja kotla. Preizkuse je izvedla skupina Laboratorija za termoenergetiko Fakultete za strojništvo v Ljubljani. Analiza rezultatov preizkusov [12] je potrdila, da so bili zastavljeni cilji projekta v celoti doseženi. 4.1 Zakonski predpisi in omejitve Na podlagi Zakona o varstu okolja je bila izdana Uredba o emisiji snovi v zrak iz velikih kurilnih naprav, ki uvršča kotla 1 in 2 v TETOL med sedanje stare velike kurilne naprave [14]. Za te ostanejo do vključno 31. decembra 2007 v veljavi določbe 13. člena Uredbe o emisiji snovi v zrak iz kurilnih naprav 800 Kotel 2 December 2002 December 2004 700 644 600 597 579 500 429 428 447 400 394 300 200 100 30.4 36.4 43.9 Masni tok sveže pare, kg/s 50.3 30.2 36.1 43.5 Masni tok sveže pare, kg/s 50.2 Sl. 5. Emisija NOx na kotlih 1 in 2 pred rekonstrukcijo in po njej 0 248 Oman J. - Kuštrin I. - Bole I. - Gostinčar P. Strojniški vestnik - Journal of Mechanical Engineering 51(2005)5, 240-251 [15]. Mestna občina Ljubljana je sprejela tudi Odlok o zmanjšanju mejnih emisijskih koncentracij za sedanje velike kurilne naprave [16]. Na podlagi teh podzakonskih odredb so določene mejne vrednosti emisij, ki se pri obratovanju kotlov ne smejo presegati. Na državni ravni je za polutant NO omejitev 650 mg/m3 za polutant CO pa 250 mg/m3. Na ravni mestne občine so omejitve strožje. Za NOx je omejitev 600 mg/m3, za CO pa 150 mg/m3. 4.2 Rezultati meritev emisij dušikovih oksidov in ogljikovega monoksida Na levi strani na sliki 5 so prikazani rezultati meritev koncentracije NO na kotlu 1, na desni strani pa koncentracije NO za x kotel 2, v obliki masnih deležev v dimnih plinih na izstopu iz kotla. Za kotel 1 je prikazana primerjava med rezultati, dobljenimi pred rekonstrukcijo, oktober 2001, in rezultati po rekonstrukciji v decembru 2003, za kotel 2 pa rezultati pred rekonstrukcijo v decembru 2002 in po rekonstrukciji v decembru 2004. Pri obeh kotlih so rezultati pri štirih različnih obremenitvah. Sočasno se je merila tudi koncentracija CO. 16 14 12 10 8 2001 ¦ Z žlindro 0 S pepelom H Sevalne ¦ S CO g S toploto dimnih plinov Dobljeni rezultati pokažejo, da je bila pred rekonstrukcijo zgorevalnega sistema emisija NO na kotlu 1 med 555 in 743 mg/m3, po rekonstrukciji pa pri nobeni obremenitvi ni presegla 378 mg/m3. Tudi po rekonstrukciji kotla 2 se je emisija NO na tem kotlu bistveno zmanjšala in v času preizkusov ni bila večja od 450 mg/m3. Koncentracija CO se je na obeh kotlih po rekonstrukciji nekoliko dvignila, vendar v nobenem primeru ni presegla polovične vrednosti dopustnih emisij. Ugotovimo torej lahko, da so po rekonstrukciji emisije NO in CO na obeh kotlih daleč pod dopustnimi vrednostmi. 4.3 Izgube in izkoristek Na sliki 6 so prikazane izgube kotla 1, ki so na podlagi rezultatov meritev izračunane po DIN 1942. Po rekonstrukciji kurjave so se zmanjšale vse izgube. Predvsem je očitno zmanjšanje izgube s toploto dimnih plinov, ki so se pri vseh obremenitvah zmanjšale za več ko dva odstotka. To zmanjšanje najbolj vpliva na opazno zmanjšanje vsote vseh izgub. Manjše izgube s toploto dimnih 16 14 12 IZ žlindro 0S pepelom Sevalne S CO S toploto dimnih plinov 10 8 30.4 36.4 43.9 Masni tok sveže pare / kg s1 50.3 29.9 36.7 43.0 50.4 Masni tok sveže pare / kg s 1 Sl. 6. Izgube kotla 1 pred rekonsturkcijo in po njej 6 6 4 4 2 2 0 0 Zniževanje emisij dušikovih oksidov - The Reduction of Nitrogen Oxide Emissions 249 ?9999999999999999999999999999999999999999999999999999999? ?999999999999999999999999999999999999999999999? ?99999999999999999999999999999999999? Strojniški vestnik - Journal of Mechanical Engineering 51(2005)5, 240-251 92 91 90 89 88 87 86 85 25 30 35 40 45 Masni tok sveže pare, kg/s Sl. 7. Izkoristek kotlov 1 in 2 pred rekonstrukcijo in po njej Kotel 2, 2002 Kotel 1 2003 Kotel 1 2001 50 55 plinov so posledica bolj nadzorovanega dovoda zraka in zato manj šega razmernika zraka. Zmanjšale so se tudi izgube z nezgorelim v žlindri in pepelu, predvsem zaradi prej omenjenih ukrepov na mlinih in zato boljšega mletja. Zaradi manjših izgub se je izboljšal izkoristek kotla 1 v povprečju za več ko dva odstotka (sl. 7). 5 SKLEPI Nastajanje dušikovih oksidov pri kurjenju premogovega prahu je postopek, ki je predvsem posledica sestave in kurilnosti premogov. Postopek je specifičen, vzroki in mehanizmi pa nekoliko drugačni kakor jih poznamo pri drugih vrstah goriv. Glavna vzroka za pojav dušikovih oksidov v dimnih plinih kurjav na premogov prah sta delež dušika v izparljivi masi premoga in take razmere v plamenu, ki omogočijo oksidacijo prostega molekularnega dušika. V okviru ustvarjanja pogojev za zmanjševanje nastajanja dušikovih oksidov je treba najprej ustvariti redukcijsko atmosfero, ki omogoči redukcijo že nastalih oksidov, v naslednji fazi pa je treba preprečiti, da bi v plamenu prihajalo do oksidacije prostega molekularnega dušika. Hkrati je tudi treba preprečevati pojave območij v plamenu z visokimi temperaturami ter tudi v celotnem plamenu vzdrževati tako nizke temperature, pri katerih še ne nastajajo termični dušikovi oksidi. Taka so bila tudi izhodišča projekta rekonstrukcije kurjave na kotlih blokov 1 in 2 z vidika zmanjšanja emisije NO . Z vidika izboljšanja razmer obratovanja pa je bilo postavljenih še nekaj dodatnih zahtev. Želeni cilji so bili kakovostnejše in avtomatsko uravnavanje dovoda zgorevalnega zraka in hladnih obtočnih dimnih plinov, kar mora povečati zanesljivost obratovanja kotla, izboljšati izkoristek kotla, emisija NO pa se mora zmanjšati pri vseh obremenitvah kotla pod predpisane meje. Da bi dosegli zastavljene cilje, je bilo treba v rekonstrukcijo vključiti gorilnike, sistem za dovod in razdelitev sekundarnega zraka in hladnih obtočnih plinov ter sistem krmiljenja temperature v mlinih. Rezultati preizkusov na kotlih 1 in 2 so potrdili uspešnost rekonstrukcije. Emisije NO in CO so sedaj daleč pod dopustnima vrednostima x ki sta določeni z Odlokom mesta Ljubljane. Zaradi izboljšanja postopka kurjenja so se zmanjšale izgube v obeh kotlih. Izkoristek kotla 1 se je v povprečju izboljšal za več ko dva odstotka, prav tako je po rekonstrukciji večji tudi izkoristek kotla 2. Dosedanje obratovalne izkušnje iz kurilne sezone 2003/04 so potrdile, da se je povečala tudi zanesljivost obratovanja kotla 1. 250 Oman J. - Kuštrin I. - Bole I. - Gostinčar P. Strojniški vestnik - Journal of Mechanical Engineering 51(2005)5, 240-251 6 LITERATURA [I] EIMV (2002) Ocena emisij snovi v zrak in rezultati meritev emisijskih koncentracij TETO Ljubljana v letu 2002, Tehnično poročilo št.: EKO 1148, Elektroinštitut Milan Vidmar, Ljubljana. [2] Kuštrin, I., J. Oman (2002) Pretoki zgorevalnega zraka kotla bloka 2 Termoelektrarne Toplarne Ljubljana; Tehnično poročilo št. 03-15/1-02/IK, UL, Fakulteta za strojništvo, Laboratorij za termoenergetiko, Ljubljana. [3] Zelkowski, J. (1986) Kohleverbrennung, Band 8. der Fachbuchreihe Kraftwerkstechnik, VGB-Kraftwerkstechnik, Essen. [4] Warnatz, J., U. Maas, R.W. Dibbe (2001), Combustion, 3rd Edition, Springer-Verlag. [5] Gardier, W.C. (1984) Combustion chemistry, Springer-Verlag. [6] Fenimore, CP. (1979) Studies of fuel-nitrogen in rich flame gases. Proc.Comb.Inst. 17, 661. [7] Smoot, L.D. (1993) Fundamentals of coal combustion, Elsevier. [8] Glassman, I. (1996) Combustion, (third edition), Academic Press. [9] Kolb, T, P. Jansohn, W. Leuckel (1988) Reduction of NOx emission in turbulent combustion by fuel-scaling effects of mixing and stoichiometry in the reduction zone, 22th Symposium on Combustion, The Combustion Institute, 1193-1203. [10] Skorupska N M (1993) Coal specifications - impact on power station performance. IEA Coal Research, London. [II] Kuštrin, I., J. Oman (2004) Analiza razmer v prahovodnih kanalih mlinov in kanalih sekundarnega zraka kotla 1 po vgradnji novih gorilnikov, poročilo št.: 03-2/1-04/IK , UL, Fakulteta za strojništvo, Laboratorij za termoenergetiko, Ljubljana. [12] Kuštrin, I., A. Senegačnik, J. Oman (2004) Analiza obratovanja kotla 1 po rekonstrukciji sistema za razvod zgorevalnega zraka, poročil št.: 03-1/1-04/JO, UL, Fakulteta za strojništvo, Laboratorij za termoenergetiko, Ljubljana. [13] Riedel, U., R. Schmidt, J. Warnatz (1992) Different levels of air dissociation chemistry and its coupling with flow models. In: Bertin J.J., Periaux J., Ballmann J. (eds), Advances in Hypersonics - Vol. 2: Modeling Hypersonic Flows, Birkhauser, Boston. [14] Uredba o emisiji snovi v zrak iz velikih kurilnih naprav (Ur.l. RS, št. 46/2002) [15] Uredba o emisiji snovi v zrak iz kurilnih naprav (Ur.l. RS, št. 73/94, 51/98, 105/00) [16] Odlok o znižanju mejnih emisijskih koncentracij za velike kurilne naprav (Ur.l. RS, št. 51/97) Naslova avtorjev: prof.dr. Janez Oman dr. Igor Kuštrin Univerza v Ljubljani Fakulteta za strojništvo Aškerčeva 6 1000 Ljubljana janez.oman@fs.uni-lj.si igor.kustrin@fs.uni-lj.si Igor Bole Primož Gostinčar Termoelektrarna toplarna Ljubljana Toplarniška ul. 19 1000 Ljubljana Prejeto: Sprejeto: Odprto za diskusijo: 1 leto 15.11.2004 24.2.2005 Received: Accepted: Open for discussion: 1 year Zniževanje emisij dušikovih oksidov - The Reduction of Nitrogen Oxide Emissions 251