Strona startowa Publikacje 2010 Właściwości popiołów z kotłów fluidalnych w energetyce w aspekcie warunków gospodarczego wykorzystania tych odpadów

Właściwości popiołów z kotłów fluidalnych w energetyce w aspekcie warunków gospodarczego wykorzystania tych odpadów

Drukuj PDF

Autor

Sonia Jarema-Suchorowska
Barbara Kuczak

„ENERGOPOMIAR” Sp. z o.o.
Zakład Ochrony Środowiska

Spalanie paliw w kotłach fluidalnych przebiega w zawieszonej w strumieniu powietrza pseudopłynnej warstwie cząstek stałych będących w ruchu turbulentnym. W trakcie spalania do złoża – niepalnych cząstek żużla, piasku, innych minerałów – dostarcza się ziarna paliwa, które mieszają się z powietrzem. Dzięki doskonałemu kontaktowi z powietrzem możliwe jest wykorzystanie paliw o niskiej wartości opałowej (powyżej 4000 kJ/kg) i wysokim zapopieleniu (poniżej 60%). Konstrukcja kotłów pozwala na utrzymywanie niskiej temperatury spalania – w granicach 800−900 st. C, co wpływa na ograniczenie emisji tlenków azotu oraz utleniania się cząstek sodu i wanadu.

Wprowadzony do złoża dodatek sorbentu, w postaci odpowiednio zmielonego kamienia wapiennego, dolomitu lub wapna, wiąże związki siarki. Niska temperatura spalania wpływa na stabilność wiązania gipsu, który odprowadzany jest z popiołem lotnym do urządzeń odpylających lub pozostaje w popiele dennym. Skuteczność odsiarczania spalin przy stosunku molowym Ca/S równym 1,5 wynosi około 80%, a przy Ca/S 2,5 − nawet 97%. Emisja tlenków azotu zmniejsza się o 50−80 % w porównaniu do spalania w paleniskach konwencjonalnych.

Stałymi produktami spalania paliw w kotłach fluidalnych jest popiół lotny, wychwytywany w urządzeniach odpylających i popiół denny, odprowadzany ze złoża. Inne warunki spalania oraz dodatek sorbentu wpływają na odmienny charakter produktów spalania fluidalnego, w porównaniu do odpadów z palenisk konwencjonalnych. W skład produktów spalania fluidalnego wchodzą: niepalne minerały pozostałe po spaleniu węgla, produkty odsiarczania spalin − bezwodny siarczan wapniowy, wolny tlenek wapnia, nadmiar sorbentu, niespalony węgiel w postaci koksiku, substancje mineralne, stanowiące domieszkę sorbentu.
Własności ubocznych produktów spalania zależą od jakości paliw, warunków spalania (rozwiązań kotła), rodzaju, własności i ilości dodanego sorbentu, krotności cyrkulacji popiołu oraz sposobu odprowadzenia popiołów.

Wdrażanie kotłów fluidalnych w energetyce

Jeszcze w latach siedemdziesiątych rozpoczęły się w Polsce badania procesu fluidalnego spalania paliw. Prawdopodobnie pierwszy w kraju kocioł fluidalny został zaprojektowany i wykonany przez „ENERGOMONTAŻ” Przemysłu Węglowego w Ciepłowni Kopalni Węgla Kamiennego w Siemianowicach Śl. Prawie równolegle w latach 1978-1985 Instytut Energetyki prowadził badania procesu spalania paliw w kotle fluidalnym o mocy 0,3 MW. Poza próbami spalania niskich gatunków węgli prowadzone były badania sorbentów, wiązanie siarki, a we współpracy z Przedsiębiorstwem Zagospodarowania Odpadów Elektrownianych w Katowicach (później Zakładem Technologii Zagospodarowania Odpadów Elektrownianych Energopomiaru) możliwości gospodarczego wykorzystania stałych produktów spalania z paleniska fluidalnego. W latach dziewięćdziesiątych w KWK Dębieńsko Leszczyny został wybudowany i uruchomiony przez Fabrykę Kotłów RAFAKO SA doświadczalny kocioł fluidalny AKF o mocy 5MW.
Pierwsze duże kotły fluidalne w energetyce zawodowej zostały uruchomione w latach 1996–1997 w Elektrociepłowni Żerań (2 kotły OFz 450 t/h). Wkrótce uruchomiono dalsze jednostki:
− w 1997 r w Elektrociepłowni Bielsko Biała (kocioł OFz 230 t/h),
− w 1998 r. w Zakładach Farmaceutycznych POLPHARMA (2 kotły OFz 75 t/h),
− w 1998 do 2004 r. w Elektrowni Turów (3 kotły CFB 657 t/h i 3 kotły CFB 702 t/h),
− w 1999 i 2002 r. w Elektrociepłowni Chorzów ELCHO (2 kotly CFB 420 t/h),
− w 2000 r. w Elektrociepłowni Katowice (kocioł CFB 480 t/h) i w Elektrociepłowni Tychy (kocioł CYMIC 135 t/h),
− w 2001 i 2003 r. w Elektrowni Siersza (2 kotły OFz 425 t/h),
− w 2003 r. w Mondi Packaging Paper w Świeciu(kocioł CFB 234 t/h).
W kilku elektrociepłowniach dokonano konwersji kotłów pyłowych na kotły fluidalne opalane biomasą (EC Łódź, EC Białystok). W Elektrowni Ostrołęka pracuje kocioł fluidalny opalany biomasą – korą z pobliskich Zakładów Papierniczych. Najnowszym, jednocześnie największym jest kocioł fluidalny o wydajności 1300 t/h uruchomiony w maju 2009 r. w PKE SA Elektrownia Łagisza.

Właściwości popiołów z pierwszych kotłów fluidalnych

Właściwości popiołów lotnych i dennych ze spalania węgla kamiennego i brunatnego w doświadczalnym kotle fluidalnym przy KWK Dębieńsko zestawiono w tabeli 1.
Popioły te wyróżniały się wysokimi stratami prażenia wynikającymi głównie z nadmiaru węglanu wapnia, co było efektem braku możliwości wielokrotnej cyrkulacji popiołu i pełnego wykorzystania sorbentu. Bardzo zbliżone właściwości wykazywały popioły z pierwszych uruchamianych kotłów fluidalnych w energetyce.
Skład chemiczny popiołów z tych kotłów, badanych w Energopomiarze w latach dziewięćdziesiątych, przedstawiono w tabeli 2. Badania wymywalności popiołów wykazały ich wysoką rozpuszczalność, sięgającą do około 5 %, wysoką zawartość siarczanów, wodorotlenków i chlorków, na poziomie kilku tysięcy mg/dm3, alkaliczny odczyn pH na poziomie 12–13, obecność siarczynów i siarczków w stężeniach od kilku do kilkudziesięciu mg/dm3 oraz niską zawartość pierwiastków śladowych. Promieniotwórczość naturalna popiołów była na nieco niższym poziomie niż popiołów z kotłów pyłowych.

Właściwości obecnie występujących popiołów z kotłów fluidalnych

Podstawowym czynnikiem mającym wpływ na właściwości popiołów jest jakość paliw. Od kilku lat energetyka ma obowiązek produkcji energii ze źródeł odnawialnych, a ilość tej energii jest z roku na rok coraz wyższa. W związku z tym z węglem kamiennym i brunatnym współspala się różne rodzaje biomasy rolnej i leśnej, paliw odpadowych. Wpółspalane z węglem paliwa to między innymi muły kopalniane, mączka mięsno-kostna, biomasa leśna, łuski słonecznika, wytłoki rzepakowe, słoma, rośliny uprawiane jako biomasa, pelety, odpady z produkcji celulozy, produkcji rolnej i wiele innych. Zawartość części mineralnych w tych paliwach bywa znacznie zróżnicowana, wahająca się od ułamków procenta do kilkudziesięciu procent. Jakość popiołów z kotłów energetycznych jest zatem zmodyfikowana zawartością większej lub mniejszej ilości popiołu z paliwa dodatkowego. Proces współspalania jest szczególnie łatwo realizować w kotłach fluidalnych, zatem popioły z kotłów fluidalnych mogą być istotnie zmienione. Wyniki badań składów chemicznych popiołów lotnych i dennych z kotłów fluidalnych w ostatnich latach świadczą o dużym zróżnicowaniu zawartości minimalnej i maksymalnej podstawowych składników (tabela 3, rys. 1), a przy tym o dużym podobieństwie zawartości składników w dłuższym okresie czasu dla poszczególnych obiektów (rys. 2).
Podstawowymi składnikami popiołów lotnych i dennych z kotłów fluidalnych są glinokrzemiany, w dużych ilościach występują związki wapnia i siarki oraz wolne CaO, w tym szczególnie w popiele dennym. Popioły badane w ostatnich latach charakteryzują się niewielkimi stratami prażenia, spowodowanymi głównie obecnością niespalonego węgla. Składniki podstawowe w badanych odpadach występują w stężeniach zbliżonych do litosfery – skał magmowych zasadowych, jedynie związki wapnia i siarki występują w ilościach większych. Zawartość pierwiastków śladowych w poszczególnych popiołach jest niska i mieści się w zakresie wartości charakterystycznych dla popiołów z węgli. Popioły z kotłów fluidalnych spełniają standardy jakości dla gleby i ziemi grupy C – dla terenów przemysłowych, użytków kopalnych, terenów komunikacyjnych, na głębokości od 0–2 m oraz na głębokości 2–15 m (wodoprzepuszczalność do 1x10-7m/s).
Podstawową frakcją ziarnową popiołów lotnych jest frakcja pyłowo-iłowa (od mniej niż 2 mikrometry do 50 mikrometrów), a popiołów dennych − frakcja piaskowa (od 50 mikrometrów do 2 mm). Popioły lotne cechują się niską gęstością nasypową, a popioły denne − wysoką. Także gęstość właściwą należy uznać za stosunkowo wysoką.
Popioły lotne i denne w zakresie promieniotwórczości naturalnej spełniają wymagania określone dla surowców i materiałów budowlanych przeznaczonych na pobyt stały ludzi i zwierząt a także dla budownictwa inżynieryjnego naziemnego i podziemnego na terenach zabudowanych i poza nimi oraz dla technologii górniczych.
Badania wymywalności popiołów z kotłów fluidalnych pokazują ich rozpuszczalność na poziomie kilku procent (1,5 - 4%), przy czym składniki rozpuszczone to głównie siarczany wapnia, a w mniejszych ilościach węglany, chlorki i wodorotlenki wapnia, sodu, potasu i magnezu. Wyciągi wodne cechują się odczynem alkalicznym – na poziomie 11,5 - 12,5. Zawartość chlorków z reguły nie przekracza 200 mg/dm3. Pierwiastki śladowe w wyciągach wodnych z popiołów są zawarte w minimalnych ilościach, wielokrotnie niższych od wartości dopuszczalnych dla oczyszczonych ścieków przemysłowych wprowadzanych do wód i do ziemi. Wyjątek stanowi bor, zawarty w nieco większych ilościach, czasem przekraczających wartości dopuszczalne dla ścieków. Jest to cecha charakterystyczna wszystkich popiołów z węgli, a najwyższe dopuszczalne wartości boru w ściekach oczyszczonych z instalacji oczyszczania spalin metodą mokrą wapienną oraz ścieków z mokrych technologii odprowadzania odpadów paleniskowych w elektrowniach są ustalane indywidualnie przez organy właściwe do wydawania pozwoleń. Cechy wyróżniające produkty spalania w kotłach fluidalnych od popiołów i żużli z palenisk tradycyjnych, to:

  • podwyższona zawartość związków wapnia, oznaczonych jako CaO, wynosząca dla popiołów ze spalania węgla kamiennego od ok. 5 do ponad 32 procent CaO, w tym wolny tlenek wapnia stanowi od zera do kilkunastu procent masy,
  • podwyższona ilość związków siarki w postaci siarczanów, stanowiących od ok. 3 do ponad 21 procent masy składu, czasami w postaci niewielkiej ilości siarczynów,
  • odpowiednio niższa zawartość pozostałych składników charakterystycznych dla składu chemicznego popiołów i żużli ze spalania węgli,
  • niższe stężenie pierwiastków naturalnie promieniotwórczych,
  • odmienna budowa krystalograficzna – brak spieków i faz szklistych,
  • niższa gęstość nasypowa i rozbudowana powierzchnia właściwa popiołu lotnego,
  • wysoka wodożądność, związana z nieregularnym kształtem ziarn i wysoką porowatością.

Zgodnie z ustawą o odpadach z dnia 27 kwietnia 2001 r. i Rozporządzeniem Ministra Środowiska z dnia 27 września 2001 r. w sprawie klasyfikacji odpadów, produkty spalania fluidalnego zostały zakwalifikowane do:

  • grupy 10 − Odpady z procesów termicznych,
  • podgrupy 10 01 – Odpady z elektrowni i innych zakładów energetycznego spalania paliw (z wyłączeniem grupy 19),
  • rodzaju 10 01 82 – Mieszaniny popiołów lotnych i odpadów stałych z wapniowych metod odsiarczania gazów odlotowych (metody suche i półsuche odsiarczania spalin oraz spalanie w złożu fluidalnym) − popiół lotny, dla niektórych obiektów również popiół denny,
  • rodzaju 10 01 24 – Piaski ze złóż fluidalnych (z wyłączeniem 10 01 82) – popiół denny dla niektórych obiektów.
  • Nie należą one do odpadów niebezpiecznych, stanowiących szczególne zagrożenie dla środowiska oraz dla zdrowia i życia ludzi.

Wykorzystanie popiołów z kotłów fluidalnych

W kraju pracują obecnie 22 kotły fluidalne, opalane węglem kamiennym, węglem brunatnym oraz innymi paliwami, w tym biomasą. Ich wydajność pary waha się od 40 do 1300 t/h. Ilość produktów spalania fluidalnego, wytworzonych w roku 2000 wyniosła około 1,5 mln ton. W związku z brakiem dostępu do szczegółowych danych o ilościach wytwarzanych popiołów z kotłów fluidalnych obliczono ją szacunkowo. W obliczeniach przyjęto prawdopodobne scenariusze obciążeń kotłów, przy średniej zawartości popiołu w węglu i średnich parametrach odsiarczania. Obliczona ilość wyniosła 1520 tys. ton popiołu lotnego i 360 tys. ton popiołu dennego i obejmuje nowy kocioł fluidalny uruchomiony w PKE SA Elektrownia Łagisza.
Proces modernizacji przemysłu energetycznego w związku z planowanym zakończeniem eksploatacji wielu kotłów może wpłynąć na wzrost ilości popiołów i żużli z kotłów fluidalnych, jednak jest mało prawdopodobne, aby spełniły się plany perspektywiczne opracowane w końcu lat dziewięćdziesiątych, kiedy to szacowano, że w roku 2020 uchwycenie tych popiołów wyniesie 4,3 mln ton.
Wiele wykonanych w Energopomiarze badań popiołów z kotłów fluidalnych potwierdza, że skutecznymi metodami ich przetwarzania na materiały przydatne do różnych zastosowań są technologie: suspensji, stabilizacji, granulacji.
Suspensje to zawiesiny popiołów w cieczy, przy wysokiej koncentracji fazy stałej (p:w jak 3:1 do 1:1), cechujące się własnościami reologicznymi, pozwalającymi na ich transport hydrauliczny, a po docelowym zdeponowaniu zestalające się z wydzieleniem niewielkiej ilości cieczy nadmiarowej. Po zestaleniu suspensje uzyskują wysoką wytrzymałość na ściskanie, niską wodoprzepuszczalność i odporność na rozmakanie, co pozwala na ich wykorzystanie jako materiału izolacyjnego, konstrukcyjnego lub wypełniającego. Podobne cechy charakterystyczne – wysoką wytrzymałość na ściskanie, niską wodoprzepuszczalność, odporność na rozmakanie, odporność na erozję wietrzną wykazują stabilizaty – popioły zagęszczane przy wilgotności optymalnej. Mogą one być stosowane jako materiały konstrukcyjno-izolacyjne do robót ziemnych. Granulację odpadów prowadzi się w celu: nadania materiałom drobnoziarnistym form kawałkowych, o określonej wytrzymałości mechanicznej, modyfikacji składu chemicznego, ograniczenia wymywalności i pylenia. Proces prowadzi się w granulatorach talerzowych lub bębnowych, a efektem finalnym może być kruszywo budowlane lub drogowe, materiał podsadzkowy, materiał do ulepszania gleb itp.
Duże zróżnicowanie właściwości popiołów z kotłów fluidalnych, indywidualnych praktycznie dla każdego obiektu energetycznego, wskazuje na konieczność odrębnego podejścia do technologii przetwarzania i potrzeby optymalizacji stosowanych rozwiązań.
W kraju popioły z kotłów fluidalnych stosuje się między innymi:

  • w technologiach górniczych,
  • w robotach ziemnych do wypełniania terenów niekorzystnie przekształconych,
  • jako dodatek do cementu (popiół denny),
  • jako dodatek w produkcji wyrobów ceramicznych,
  • do gaszenia pożarów,
  • w produkcji spoiw drogowych,
  • w produkcji spoiw budowlanych.

W innych krajach, w tym USA, Niemczech, Francji, produkty spalania fluidalnego są wykorzystywane jako: dodatek w produkcji cementu, jako spoiwo do wyrobów betonowych, dodatek do betonów konstrukcyjnych, elementów budowlanych − płyt chodnikowych, krawężników, do produkcji kruszyw dla budownictwa naziemnego i budowli ziemnych, jako dodatek przy utwardzaniu podłoża, do wyrobu cegieł, do produkcji tworzyw sztucznych, w rolnictwie do odkwaszania gleb (sadów, pastwisk), jako środek spulchniający gleby, do ulepszania – utwardzania grząskich nawierzchni, do rekultywacji obszarów górniczych, do rekultywacji terenów, z jednoczesnym ich odkwaszaniem, jako materiał międzywarstwowy zestalający się z wodą na składowiskach odpadów komunalnych (dzienna pokrywa), jako podsadzka płynna samozestalająca się, o kontrolowanej niskiej wytrzymałości – jako wykładzina rowów, podłoże dróg, do wypełniania kesonów, palowania, wypełniania pustych przestrzeni, do stabilizacji odpadów ciekłych i ich pasteryzacji (dzięki reakcji wolnego CaO), w postaci granulowanej do wykorzystania w rolnictwie i rekultywacji ziem.

Podsumowanie

Właściwości popiołów z kotłów fluidalnych wytwarzanych w pierwszym okresie wdrażania techniki spalania fluidalnego w energetyce różnią się od popiołów obecnie wychwytywanych. Poza stałymi cechami wyróżniającymi popioły z kotłów fluidalnych od popiołów konwencjonalnych, takimi jak podwyższona zawartość związków siarki i wapnia, odmienna budowa krystalograficzna – brak spieków i faz szklistych, niższa gęstość nasypowa i rozbudowana powierzchnia właściwa popiołu lotnego, wysoka wodożądność, związana z nieregularnym kształtem ziarn i wysoką porowatością, popioły z lat dziewięćdziesiątych cechowały się wysoką zawartością nieprzereagowanego sorbentu w postaci węglanu, znaczną ilością niespalonego węgla. Wyniki badań z ostatnich lat dowodzą, że cechy te częściowo zanikły. Stopień wykorzystania sorbetu znacznie się podwyższył, zawartość produktów odsiarczania, szczególnie w popiołach dennych, jest znacznie wyższa, natomiast zawartość niespalonego węgla jest na takim samym poziomie jak w kotłach konwencjonalnych. Ponadto praktycznie dla każdego obiektu energetycznego właściwości popiołów są odmienne, indywidualne, lecz stabilne w czasie. Jest to wynikiem współspalania w paliwem podstawowym – węglem szeregu innych paliw, takich jak muły kopalniane, mączka mięsno-kostna, różnego rodzaju biomasa. Stabilność właściwości popiołów w poszczególnych elektrowniach /elektrociepłowniach pozwala na opracowanie indywidualnych optymalnych i najbardziej korzystnych dla danego obiektu metod ich wykorzystywania.

Literatura

[1] EMITOR: Emisja zanieczyszczeń środowiska w elektrowniach i elektrociepłowniach zawodowych, CIE Warszawa 2007, także analogiczne dane z lat 1998−2006.
[2] Hycnar J.: Paleniska fluidalne przykładem racjonalnego rozwiązywania problemów odpadów. Polityka Energetyczna. Tom 9. Zeszyt specjalny 2006, PL ISSN 1429-6675.
[3] Hycnar J.: Czynniki wpływające na właściwości fizykochemiczne i użytkowe stałych produktów spalania paliw w paleniskach fluidalnych. Wydawnictwo Górnicze, Katowice 2006.
[4] Wyniki prac realizowanych w Energopomiarze.


„Energetyka” nr 1/2010
Biuletyn Naukowo – Techniczny Energopomiaru nr 1 (235)

800x600 Normal 0 21 false false false PL X-NONE X-NONE MicrosoftInternetExplorer4 mm