Metody redukcji emisji NOx - MATERIAŁY PROBLEMOWE

Dlaczego jednak tak istotne jest ograniczanie emisji tlenków azotu? Są one składową, mniej lub bardziej istotną, wielu zjawisk, o których słyszy się niemal każdego dnia. Pierwszym z nich jest smog fotochemiczny. Jego występowanie uzależnione jest przede wszystkim od dwóch czynników - silnego nasłonecznienia oraz wysokiej wilgotności powietrza. Zaistnienie takich warunków nasila zachodzenie fotolizy dwutlenku azotu (NO2), w wyniku czego tworzony jest ozon. Z uwagi na rodzaj zachodzących reakcji chemicznych smog ten nazywany jest również utleniającym. O ile w wyższych partiach atmosfery ozon jest przyjazną dla nas alotropową odmianą tlenu, o tyle w niższych warstwach troposfery jest on silnie odkażającym oraz toksycznym dla człowieka gazem.

Drugie zjawisko związane jest z zakwaszaniem środowiska. Obecne w atmosferze tlenki azotu wchodzą w reakcję z parą wodną, co doprowadza do tworzenia się kwasu azotowego. Powraca on na powierzchnię Ziemi najczęściej w postaci mokrej (tj. kwaśnych opadów). Jest to istotną kwestią wpływającą na zwiększanie kwasowości gleby oraz wód, ale również na niszczenie konstrukcji stalowych, monumentów oraz fasad budynków.

Kolejnym z niepożądanych efektów jest pogłębianie zubażania warstwy ozonowej w stratosferze. Związane jest to z reakcjami, w jakie wchodzą podtlenek azotu (N2O) oraz tlenek azotu II (NO) z ozonem. Wynikiem tychże reakcji chemicznych jest głównie dwutlenek azotu (NO2).

Również efekt cieplarniany jest wspomagany poprzez emisję tlenków azotu do atmosfery. Głównym odpowiedzialnym jest w tym przypadku podtlenek azotu (N2O). Niezwykle istotne w jego przypadku jest nie tylko chłonięcie promieniowania słonecznego, w wyniku czego wzrasta temperatura warstw powietrza zlokalizowanych poniżej. Kluczowym aspektem w tym wypadku jest wydłużony okres żywotności cząsteczek gazu (o ile nie wystąpią żadne ze wskazanych powyżej reakcji) - wynosi on blisko 114 lat.

Czynniki powstawania tlenków azotu

Wymienione zjawiska są niewątpliwie niebezpieczne dla środowiska, jednak zwykle nie mają silnie negatywnego bezpośredniego oddziaływania na człowieka. Niemniej jednak ewentualne inhalacje powietrzem zawierającym tlenki azotu mogą być dla organizmów żywych brzemienne w skutki.

Od czego właściwie zależy wielkość emisji tlenków azotu podczas spalania paliwa kopalnego? Czynników tych jest wiele. Poniżej przybliżone zostanie kilka z nich. Bez wątpienia wpływ na zasobność spalin wylotowych w NOx ma jakość podawanego do spalania surowca energetycznego. Paliwa o niskiej jakości będą doprowadzały podczas przeprowadzania procesu utleniania do wydzielania znacznych ilości szkodliwych tlenków, w tym również tlenków azotu. Istotny jest także czas, w którym blok pracuje w podwyższonych temperaturach. Sprzyjają one formowaniu się tlenków azotu. Sytuacja taka występuje zwykle podczas wytężonej pracy bloku energetycznego, a więc najczęściej podczas szczytowych zapotrzebowań na energię. Poza wysokimi temperaturami, podczas prowadzenia procesu spalania należy zwracać uwagę również na wielkość nadmiaru powietrza. Jego stopniowanie jest niezwykle istotne dla obniżania ekwiwalentu powstających NOx. Wpływa to bezpośrednio na tworzoną w palenisku atmosferę - utleniającą lub redukującą.

Wspomniana została już jakość paliwa, ale nie tylko ona ma znaczenie. Ważny jest również sam typ surowca energetycznego. Różnią się one bowiem między sobą zasobnością w czynniki sprzyjające generowaniu analizowanych tlenków. Warto także nadmienić, iż ma znaczenie miejsce wydobywania, gdyż w dużej mierze wpływa to na charakterystykę paliwa. Ostatnim z wymienionych w tej części czynników jest odpowiedni rozkład palników w komorze paleniskowej kotła. W dalszej części okaże się, iż ma to bardzo duże znaczenie.

Metody pierwotne

Metody służące ograniczeniu emisji tlenków azotu dzielimy na pierwotne oraz wtórne. Do pierwszej kategorii zalicza się przede wszystkim:

* stopniowanie powietrza - polegające na podziale podawanego podczas spalania powietrza na strefę niedoborem oraz z kontrolowanym nadmiarem powietrza - zastosowanie dysz OFA lub ROFA,

* zastosowanie palników niskoemisyjnych - doprowadza to do obniżania temperatur spalania przy jednoczesnym pomniejszaniu objętości podawanego powietrza,

* stopniowanie paliwa - zabieg ten polega na podziale przebiegu spalania na trzy etapy, z których pierwszy zawiera w sobie spalanie z nadmiarem powietrza, drugi z jego niedoborem (w atmosferze redukcyjnej) z dodatkowo podawanym paliwem reburningowym, natomiast trzeci charakteryzuje się udziałem powietrza wtórnego,

* ograniczenie podgrzewu powietrza - pozwala na ograniczenie tworzenia się termicznych tlenków azotu,

* recyrkulację salin - doprowadza do obniżania temperatury w komorze spalania.

Główne korzyści związane z wykorzystywaniem metod pierwotnych to bez wątpienia niskie koszty inwestycyjne, jakie należy ponieść na ich wdrożenie (w porównaniu do metod wtórnych). Redukcja emisji NOx jest dużo niższa, jednak do kotła nie są doprowadzane żadne dodatkowe substancje chemiczne. Należy jednak uważać i świadomie prowadzić proces spalania w przypadku stosowania metod pierwotnych, gdyż mogą pociągać one za sobą szereg wad wpływających zarówno na trwałość powierzchni ogrzewalnych, jak i na ogólną sprawność kotła. Podstawowe utrudnienia, mogące pojawić się po implementacji metod pierwotnych, to:
- przyrost stężenia CO w spalinach wylotowych,
- obniżenie temperatury pary wylotowej,
- wysokie zagrożenie korozją niskotlenową na ekranach,
- zwiększone ryzyko żużlowania,
- podwyższenie ilości części palnych w popiele oraz żużlu.

Części palne odnajdowane w popiele świadczą o wzroście niecałkowitego spalania oraz obniżania się sprawności jednostki kotłowej. Doprowadza to bardzo często do pogorszenia się jakości popiołu, który służy za produkt uboczny procesu spalania, sprzedawany najczęściej do cementowni.

Odnotowywany wzrost tlenku węgla jest zwykle niewielki i w standardowych warunkach nie wpływa bardzo negatywnie na trwałość kotła. Jednak w rejonach funkcjonowania dysz OFA wytwarzana jest atmosfera uboga w tlen, co stanowi idealne warunki do rozwoju korozji niskotlenowej. Dodatkowym zagrożeniem w tym przypadku (obecności atmosfery redukcyjnej) jest wzrost możliwości wystąpienia żużlowania powierzchni ogrzewalnych z uwagi na spadek temperatury topliwości popiołu.

Zastosowanie dysz OFA oraz SOFA, a także palników niskoemisyjnych jest często przyczynkiem do obniżenia temperatury pary wylotowej. Również obniżenie ilości podawanego powietrza może doprowadzać do negatywnych skutków, gdyż wpływa na zmniejszenie strumienia spalin, a w związku z tym na niwelowanie omywania przez nie powierzchni ogrzewalnych, a tym samym uboższej wymiany ciepła.

Istnieje, oczywiście, szereg metod, które zabezpieczają poszczególne sekcje kotła przed degradacją materiału, a także dbają o właściwe parametry prowadzonego procesu. Są nimi m.in. właściwe zaprojektowanie palników, zabezpieczanie powierzchni ogrzewalnych specjalnymi warstwami ochronnymi czy regulacja rozdziału paliwa dla palników.

Metody wtórne

Do metod wtórnych, służących redukcji emisji tlenków azotu, zaliczamy przede wszystkim technologie SNCR oraz SCR. Pierwsza z nich, czyli selektywna redukcja niekatalityczna, charakteryzuje się niskim wpływem na przebieg procesu spalania. Samo odazotowanie polega na wtrysku reagenta (mocznika lub wody amoniakalnej) w szczytowej części komory spalania (w rejonie wysokich temperatur), który to redukuje tlenek azotu (NO) do azotu cząsteczkowego oraz pary wodnej. Wadą tego rozwiązania jest bez wątpienia wzrost strat wylotowych o wielkość odparowanej wody, dostarczonej z reagentem. Co więcej, występuje również zjawisko zwane "poślizgiem amoniaku", polegające na przedostawaniu się NH3 do spalin. Obecny może być on także w popiele i żużlu, co obniża jakość, a tym samym wartość tych produktów. Kolejną kwestią jest możliwość powstawania podtlenku azotu, który, jak zostało już wspomniane, jest gazem cieplarnianym.

Metoda SCR, czyli selektywna redukcja katalityczna, polega na iniekcji amoniaku lub mocznika w obecności katalizatora. W tym przypadku zakres temperatur potrzebnych do przebiegu reakcji redukcji jest znacznie niższy. Również w tym przypadku obserwowany jest wzrost entalpii spalin wylotowych. Nie jest to jednak zjawisko tak nasilone jak w przypadku SNCR z uwagi na mniejszą ilość wody wtryskiwanej do kotła. Utrudnieniem jest także możliwość tworzenia się soli amonowych, które zanieczyszczają powierzchnię czynną katalizatora oraz obrotowego podgrzewacza powietrza. Dodatkową zaletą metody SCR jest jednak utlenianie rtęci zawartej w paliwie.

Hybrydowa konfiguracja

Z uwagi na coraz bardziej zaniżane normy emisyjne często nawet poszczególne metody wtórne nie są w stanie im sprostać. Stosuje się wówczas połączenie systemów SCR i SNCR w tak zwaną konfigurację hybrydową. Polega to na zabudowaniu układu SNCR, który dokonuje wstępnej redukcji tlenków azotu wespół z baterią katalizatorów - odpowiedzialną za dalszą eliminację.

Wymienione metody polegają na redukcji - katalitycznej lub niekatalitycznej. Możliwe jest jednak przeprowadzanie procesów niwelowania ilości tlenków azotu w atmosferze utleniającej. Opcjami takimi są np. ozonowanie tlenków azotu NO, a tym samym ich utlenianie do NO2 i późniejsze absorpcyjne wychwytywanie, a także metoda radiacyjna wykorzystująca bombardowania cząsteczek szkodliwych gazów wiązkami elektronów. Istnieją także inne metody wtórne, polegające często na połączeniu ze sobą procesu odsiarczania i odazotowania.

Metody wtórne odznaczają się bardzo wysoką sprawnością eliminacji tlenków azotu ze spalin, jednak przypłacone musi zostać to znacznymi nakładami finansowymi, niezbędnymi do ich wdrożenia w życie. Z kolei stosowanie metod pierwotnych skazane jest na odnotowywanie dużo niższych sprawności usuwania tlenków azotu, a dodatkowo doprowadza do zagrożenia pogorszenia parametrów procesu spalania, w tym także sprawności kotła. Niemniej jednak przeprowadzanie odazotowania jest niezbędne dla spełnienia coraz bardziej restrykcyjnych norm. Ważne są zatem właściwe zaprojektowanie danych systemów oraz ich przemyślana i precyzyjna implementacja.