Cod lucrare:

FORUMUL REGIONAL AL ENERGIEI PENTRU EUROPA CENTRALA SI DE EST FOREN 2014

15-19 iunie 2014, Romania

Cod lucrare:

TESTE PRELIMINARE EFECTUATE LA

GRUPUL NR. 3 SE ROVINARI PENTRU REDUCEREA

EMISIILOR DE OXIZI DE AZOT

Ing. Popescu Ion Florin, Societatea Complexul Energetic Oltenia SE Rovinari

Ing. Bzg Marius, Societatea Complexul Energetic Oltenia SE Rovinari

Politica de baza a Sucursalei Electrocentrale Rovinari are ca obiectiv producerea si furnizarea de energie electrica si termica in condiii de eficien ridicat i cu un impact ct mai redus asupra mediului.

Strategia de mediu privind punerea in aplicare a acestei politici face parte integranta din strategia generala de dezvoltare a societii si are ca scop reducerea impactului instalaiilor energetice asupra mediului coroborat cu respectarea reglementarilor naionale si conveniile internaionale in domeniu.

Lucrarea prezint testele preliminare efectuate la reglarea turaiei morilor de crbune, rezultatele obinute, precum si propuneri pentru adaptarea reglrii automate a temperaturii n separatorul morilor noilor cerine de limitare a emisiilor de NOx.

Cuvinte cheie: emisii NOx, reglare automata, conformare.

1. INTRODUCERE.

La nivelul Uniunii Europene, protecia mediului reprezint un domeniu de interes major, aquis-ul comunitar in domeniul proteciei mediului fiind n continu schimbare si dezvoltare urmrind:

integrarea obiectivelor de mediu in toate sectoarele economiei;

aciuni pentru promovarea principiului dezvoltrii durabile;

dezvoltarea celor mai bune tehnici disponibile in domeniul proteciei mediului;

promovarea tehnicilor si instrumentelor cu caracter preventiv si de precauie.

Completarea cadrului legislativ naional cu cerinele europene de mediu a impus o reconsiderare a modului de abordare a activitii unitii noastre.

Strategia de funcionare pe termen pe termen scurt si mediu a Sucursalei Electrocentrale Rovinari a inut cont de efortul substanial pe care societatea trebuie sa-l fac in vederea conformrii cu prevederile legislaiei actuale si viitoare de mediu.

In vederea respectrii angajamentelor, in conformitate cu prevederile Tratatului de Aderare al Romniei la Uniunea Europeana Seciunea D, pct. 9, anexa 7, Sucursala Electrocentrale Rovinari trebuie sa realizeze masurile asumate ca urmare a transpunerii directivelor europene in domeniul proteciei mediului in legislaia naionala si preluate integral in Planul de Aciuni, parte integranta a Autorizaiei Integrate de Mediu nr.12/19.07.2006.

DIRECTIVA 2001/80/EC transpusa prin hotrrea guvernului nr.440/2010 - privind stabilirea unor msuri pentru limitarea emisiilor n aer ale anumitor poluani provenii de la instalaiile mari de ardere, impune SE Rovinari sa respecte valoarea limita de emisie de 500 mg/Nmc pentru concentraii de NOx in gazele de ardere.

DIRECTIVA 2010/75/UE transpusa prin Legea 278/2013 privind emisiile industriale si care modifica DIRECTIVA 2001/80/CE prevede ca, ncepnd cu 1ianuarie 2016 valoarea limita de emisie pentru concentraii de NOx in gazele de ardere sa fie de 200 mg/Nmc.

2. FORMAREA OXIZILOR DE AZOT N TIMPUL ARDERII

Problema oxizilor de azot este legat in primul rnd de importana lor in controlul concentraiei radicalilor liberi din troposfer, ca precursori implicai in producerea ozonului i direct sau indirect, in producerea i depunerea acizilor.

Din cei apte oxizi ai azotului care pot fi prezeni in aer: NO, NO2, N2O, NO3, N2O3, N2O4 i N2O5 doi apar in concentraii i cu efecte semnificative in urma proceselor de ardere: NO i NO2 grupai mpreun sub denumirea generic de NOx .

Din totalul compuilor cu azot NOx, NO reprezint peste 90% i NO2 sub 5%.

Formarea oxizilor de azot n timpul arderii are loc pe baza azotului din aer si a azotului coninut n combustibil.

Urmtoarele sunt cele 3 principale mecanisme care conduc la formarea oxidului de azot (NO) n timpul procesului de ardere:

Termic (thermal NO) - reacie care se produce la temperaturi nalte.

Instantaneu (prompt NO).

Carburant (fuel NO) - oxidarea azotului din combustibil, eliberat n timpul devolatilizrii i a oxidrii mangalului.

Procentul mare de azot coninut n crbune (0,5-2,0% n greutate) poate avea ca rezultat emisii substaniale de NOx. n timp ce mecanismul termic este principalul mecanism de formare a oxidului de azot n procesul de arderea a gazelor, mecanismul carburant este principala surs de formare a oxidului de azot n procesul de ardere a crbunilor.

Oxizii de azot termici sunt formai in majoritate din NO.

Formarea NOT se face printr-un mecanism lent, aplicabil azotului din aer, ncepnd din zona imediat urmtoare frontului de flacr sau in arztoarele de gaz, unde temperatura este suficient de ridicat pentru a excita particulele la o energie superioar energiei de legtur.

Formarea NOT este descris de un numr de reacii, cunoscute sub denumirea de mecanismul Zeldovich.

Reacia global care descrie formarea oxizilor de azot termic este:

N2 + O2 2NOT.

Factorii de influen pentru formarea oxizilor de azot termici sunt:

concentraia de oxigen atomic,

timpul de reacie,

temperatur mai mare dect 1300 C.

Oxizii de azot prompt, NOPr se formeaz in zona flcrii prin atacarea azotului molecular din aer de ctre radicalii hidrocarbonai pentru a forma acidul cianhidric ( HCN ) i HN. De menionat c, prin mecanism prompt se formeaz numai NO, nu i ali oxizi ai azotului. Contribuia NOPr la totalul oxizilor de azot este de 5...10%.

Oxizii de azot prompt sunt influenai de:

concentraia de oxigen atomic,

coeficientul excesului de aer .

Oxizii de azot din combustibil NOC depind de natura combustibilului i este mai mare in instalaiile care utilizeaz crbune.

Oxizii de azot din combustibil sunt influenai de:

concentraia azotului din combustibil;

concentraia oxigenului;

coeficientul excesului de aer ;

temperatura flcrii.

Un factor important care influeneaz cantitatea, dar i tipul emisiilor de oxizi de azot este procesul de ardere. De exemplu, in cazul crbunelui:

In focarele pentru arderea prafului de crbune cu evacuarea cenuii in stare solid, unde temperatura de ardere este de 1 300 -1 400 C, se formeaz relativ puin NO termic. Din cantitatea de NO format, o mare parte de monoxid de azot are drept provenien azotul eliberat odat cu materiile volatile i mai puin cel din reziduul carbonos.

In focarele pentru arderea crbunelui brun i in focarele cu ardere in strat fluidizat, NO se formeaz aproape in totalitate din azotul coninut de combustibil. In focarele pentru praf de crbune i evacuarea cenuii in stare lichid, NO termic are ponderea cea mai mare.

Proprietatea specific a crbunilor de a forma NO depinde att de coninutul de azot cat i de coninutul de volatile i de natura curbei lor de degajare.

3. METODE DE REDUCERE A EMISIILOR DE OXIZI DE AZOT

Optimizarea reducerii emisiilor, avnd n vedere costurile de investiii si de exploatare cele mai mici posibile, implica un studiu aprofundat si necesitatea modificrilor care trebuie realizate n cadrul sistemelor de combustie (msuri primare) si a unor masuri suplimentare.

Este important, pentru a putea elabora un concept de ansamblu optimal privind att mediul nconjurtor, ct si exploatarea, sa se cunoasc modificrile care trebuie realizate n cadrul sistemelor de combustie (msuri primare) si repercusiunea acestora asupra totalitii instalaiei, ca si masurile suplimentare care trebuie aplicate pentru a se reduce emisiile de oxizi de azot (msuri secundare) si influena lor financiara asupra ansamblului instalaiilor.

3.1. Masuri primare de reducere a emisiilor de NOx

Exista numeroase masuri primare de reducere a emisiilor (modificri ale arderii) pentru a suprima formarea oxizilor de azot in instalaiile de ardere. Toate aceste masuri au ca scop modificarea parametrilor de operare sau de proiectare a instalaiilor de ardere astfel nct formarea de oxizi de azot sa fie redusa sau astfel nct oxizii de azot deja formai sa fie transformai in interiorul cazanului nainte de a fi emii.

La introducerea masurilor primare (modificri ale arderii) este important sa se evite impactele negative asupra funcionarii cazanului si formarea altor poluani. Astfel, trebuie avute in vedere urmtoarele criterii pentru operaiile cu emisii reduse de NOx:

Sigurana de operare (de exemplu aprindere stabila peste intervalul de sarcina)

Securitatea in funcionare (pentru prevenirea, de exemplu a coroziunii, eroziunii, depunerilor, zgurificrii, supranclzirii evilor etc.)

capacitatea de a arde o gama variata de combustibili

ardere complet (pentru reducerea nivelurilor de carbon n cenu, pana la 5 % de carbon nears in cenua zburtoare este o condiie obinuit pentru a putea comercializa cenua zburtoare ctre industria cimentului. Combustia completa este de asemenea de dorit pentru a evita emisiile ridicate de monoxid de carbon)

cele mai reduse emisii de poluanti, respectiv evitarea formarii altor poluani, de exemplu materie organica impurificatoare (POM), sau N2O

consecine minime nedorite asupra echipamentului de curare a gazelor arse

costuri de ntreinere reduse.

Msurile primare de reducere a emisiilor de oxizi de azot sunt:

Exces de aer redus;

Introducerea in trepte a aerului;

Recircularea gazelor arse

Prenclzirea redusa a aerului

Introducerea in trepte a combustibilului deasupra focului (reardere)

Arztoare cu NOx redus

Excesul de aer redus este o msur de operare relativ simpla si uor de implementat pentru reducerea emisiilor de oxizi de azot. Prin reducerea cantitii de oxigen disponibile in zona de ardere la cantitatea minima necesara pentru o ardere completa, conversia azotului din combustibil si, intr-o mai mica msura, formarea de NOx termic sunt reduse. Prin aceasta msura se poate atinge o reducere considerabila a emisiilor, mai ales in cazul vechilor centrale electrice. Nu este necesara nici o energie suplimentara pentru arderea excesului de aer sczut si, daca este efectuata adecvat, disponibilitatea centralei electrice nu ar trebui sa fie afectata de aceasta msura primara de reducere a emisiilor. Cu toate acestea, odat cu reducerea nivelului de oxigen, arderea poate deveni incompleta, iar cantitatea de carbon nears din cenua poate sa creasc. Suplimentar, temperatura aburului poate sa scad. Reducerea oxigenului in zonele primare la cantiti foarte sczute poate de asemenea sa duca la niveluri ridicate de monoxid de carbon. Rezultatul acestor modificri poate fi o reducere a eficientei cazanului, zgurificare, coroziune si un impact general negativ asupra performantei cazanului. Alt efect al acestei tehnici este nu numai reducerea NOx, ci si a SO3, ceea ce poate duce la coroziune si depuneri la nivelul prenclzitorului de aer si al dispozitivului de control al substanelor impurificatoare.

Reducerea emisiilor de NOx prin intermediul introducerii in trepte a aerului deasupra focului se bazeaz pe crearea a doua zone desprite de ardere, o zona primara de ardere cu o lipsa de oxigen si o zona secundara de ardere cu un exces de oxigen pentru a asigura o ardere completa. Introducerea in trepte a aerului deasupra focului reduce cantitatea de oxigen disponibil (in 70 90 % din aerul primar) in zona primara de ardere. Condiiile sub-stoichiometrice din zona primara suprima conversia azotului din combustibil in NOx. De asemenea, formarea de NOx termic este redusa intr-o oarecare msur de temperatura de vrf sczut rezultat. In zona secundara, 10 30 % din aerul de ardere este injectat deasupra zonei de ardere. Arderea este complet la acest volum mrit al flcrii. Astfel, treapta secundara cu o temperatura relativ sczut limiteaz producerea de NOx termic.

Recircularea gazelor arse duce la reducerea oxigenului disponibil in zona de ardere si, din moment ce rcete direct flacra, la scderea temperaturii flcrii: astfel, att conversia azotului din combustibil, cat si formarea de NOx termic sunt reduse. Recircularea gazelor arse in aerul de ardere s-a dovedit a fi o metoda de succes pentru reducerea NOx in sisteme de ardere la temperaturi ridicate, precum cazane cu topirea cenuii si instalaii pe pcur sau gaz. O parte din gazele arse (20 30 % la temperaturi de circa 350 400 C) este extrasa din curentul principal de gaze arse al prenclzitorului de aer, de obicei dup ndeprtarea oricror impuriti, si apoi reciclata in cazan. Gazele arse recirculate pot fi amestecate cu aerul de ardere in arztor sau cu aerul introdus in trepte deasupra focului. Este nevoie de arztoare special proiectate pentru a funciona pe gazele arse recirculate. Daca exista un surplus cantitativ de gaze recirculate, acest lucru poate duce la anumite limitri de funcionare, cum ar fi probleme de coroziune cnd se arde un combustibil care conine sulf, pierderi de randament din cauza unei creteri a temperaturii la coul de tiraj, un consum ridicat de energie pentru ventilatoare.

Temperatura de prenclzire redus a aerului de ardere are un impact semnificativ asupra formarii de NOx in principal pentru sisteme pe gaz sau pcur. Pentru aceti combustibili, cea mai mare parte de NOx este determinata de mecanismul NO termic, ceea ce depinde de temperatura de ardere. Reducerea temperaturii de prenclzire a aerului duce la temperaturi mai sczute ale flcrii (temperaturi de vrf) in zona de ardere. Exista doua dezavantaje ale acestei tehnologii. In primul rnd, in anumite cazane, cum ar fi in arderea de crbuni, sunt necesare temperaturi ridicate de ardere si, in concordanta cu acestea, temperaturile ridicate de prenclzire a aerului sunt eseniale pentru funcionarea corecta a instalaiei de ardere. In al doilea rnd, reducerea temperaturii de prenclzire a aerului duce la un consum ridicat de combustibil, deoarece o mai mare parte din energia termica aflata in gazele arse nu poate fi folosita si prsete instalaia prin coul de tiraj. Acest lucru poate fi contrabalansat prin folosirea anumitor metode de conservare a energiei, precum creterea volumului prenclzitorului.

Introducerea in trepte a combustibilului deasupra focului, numit si reardere, se bazeaz pe crearea de zone diferite in focar prin injectarea treptata de combustibil si aer. Scopul este reducerea la azot a oxizilor de azot care s-au format deja.

Arztoarele srace n NOx mpreun cu arderea n trepte, sunt n general, combinaia cea mai utilizat pentru reducerea emisiilor de NOx cu 30-60%. Arztoarele srace n NOx implic etapizarea aerului n flacr. Scopul etapizrii aerului n arztor este acela de a ntrzia amestecul crbune-aer n zona arztorului, la fel ca la arderea n trepte. Cu arztoarele srace n NOx, o parte din flacr se afl n condiii de exces de combustibil. Excesul de hidrocarburi, radicalii coninnd hidrogen/oxigen si azot, interacioneaz prevenind formarea de NOx.

3.2. Masuri secundare de reducere a emisiilor de NOx

Aplicarea msurilor primare determin o scdere important a concentraiei oxizilor de azot n gazele de ardere ca prsesc focarul, dar nu ntotdeauna si suficient pentru a corespunde normelor internaionale privind emisia de NOx pe coul instalaiilor de ardere. Trebuie s se procedeze si la o curire (denoxare) a gazelor de ardere. Aceste msuri poart denumirea de msuri secundare si ele urmresc retinerea oxizilor de azot din gazele de ardere nainte ca acestea s fie eliminate pe cosul de fum n mediul ambiant.

n centralele electrice care funcioneaz cu combustibili fosili, tratarea gazelor de ardere se poate face folosind reducerea catalitic selectiv (SCR) si reducerea selectiv necatalitic (SNCR).Cele dou procedee se pot folosi singure sau n combinaie cu modificri

ale arderii.

Reducerea catalitic selectiv (SCR) este cel mai rspndit procedeu secundar de denoxare si are o larg aplicare n Japonia, Germania, SUA. La reducerea catalitic selectiv, transformarea oxizilor de azot n azot si ap decurge n urma reaciei cu amoniacul, n prezenta unui catalizator (TiO2 combinat cu V2O5 sau WO3).

Reducerea selectiv ne-catalitic (SNCR) se folosete de obicei atunci cnd cheltuielile pentru denoxare nu trebuie s fie prea mari, sau exist pericolul unei otrviri a catalizatorului, n cazul n care s-ar folosi procedeul SCR. Condiia necesar este ns s se lucreze la temperaturi nalte si optime, capabile s asigure furnizarea energiei termice necesare pentru descompunerea si vaporizarea agentului reductor care se injecteaz n curentul gazelor de ardere. De aici decurge importanta alegerii corecte a locului n care se introduce reactantul, n concordant cu tipul, componenta si sarcina la care funcioneaz generatorul de abur.

4. TESTE EFECTUATE UTILIZND REGLAREA TURAIEI MORII DE CRBUNE DGS100

Sistemul de uscare i preparare a prafului de crbune pentru cazanul de 1035 t/h lignit este compus din 6 mori de crbune tip DGS100, dispuse i numerotate n jurul focarului cazanului. Numerotarea morilor de crbune corespunde cu numerotarea alimentatoarelor de crbune i a arztoarelor de praf de crbune. Moara de crbune ventilator cu ciocane tip DGS100 este utilajul principal al sistemului de uscare i preparare a prafului de crbune necesar arderii i are rolul de a usca i mcina crbunele, precum i de a transporta amestecul praf crbune - gaze de ardere spre arztoarele de praf de crbune, n vederea arderii amestecului n stare pulverizat, n focarul cazanului.

Schema circuitelor tehnologice pentru moara ventilator DSG100 aferent cazanului Benson de 1035 t/h este prezentat n fig. 1.

Lignitul care trebuie mcinat este transportat de un alimentator i intr n moar prin conducta de aspiraie a gazelor din focar, trece prin zona dispozitivului de nchidere a morii i ajunge n carcasa de alimentare. Din carcasa de alimentare, lignitul trece n zona ciocanelor unde odat cu mcinarea grosier se realizeaz i o uscare intensiv a acestuia ca urmare a mririi suprafeei de schimb de cldur. Depresiunea realizat de rotorul ventilatorului creeaz curentul de fluid transportator, care scoate din zona de mcinare a ciocanelor tot praful de lignit realizat de acestea i l transport spre ventilator. Din ventilator praful de lignit este transportat spre separator i n continuare spre arztorul de praf, unde este insuflat direct n focar, la temperatura de 120180oC, fr ca moara s fie pus n pericol.

Temperatura amestecului de praf crbune gaze de ardere depinde de o serie de factori i anume:

1. umiditatea lignitului

2. debitul de lignit la care funcioneaz moara de crbune

3. temperatura gazelor absorbite din focar.

Fig. 1. Schema tehnologic a morii DSG100

Temperatura de funcionare normal a morii, la debitul maxim, este de 120oC, dar poate s ating valori de la 110 oC pn la 180 oC, fr ca funcionarea acesteia s fie pus n pericol. Prin alimentarea morii cu aer cald, temperatura n conductele de praf (dup moar) poate s fie reglat la temperatura corespunztoare, curba debit aer cald funcie de incrcarea morii fiind dat n fig.2. n moar se poate introduce aer rece prin conducta de aer rece, sudat la tronsonul de alimentare cu lignit i prevzut cu clapet de nchidere i deschidere comandat din camera de comand. Aerul rece este introdus n moar, numai la oprirea morii, pentru protejarea rotorului morii contra temperaturilor ridicate.

n fig. 3 este reprezentat variaia coninutului de oxigen din moar n funcie de ncrcarea morii. Este ilustrat oxigenul coninut n gazele primare umede comparativ cu sarcina morii. Acesta este 7,3% la sarcina total. |n domeniul de sarcin parial coninutul de O2 crete datorit alimentrii considerabile de aer cald i datorit coninutului de aer ridicat al instalaiei de ardere. Valoarea max. este 10,6% la sarcina morii de 50%. Coninutul de O2 este cobort suficient fa de valoarea limit de 12% care garanteaz o atmosfer inert n instalaie. Atmosfera inert este garantat n acest regim de funcionare al morii, pe ntreg domeniul de exploatare al morii de la 100% la 50%.

Fig. 2. Debitul masic de aer cald n funcie de ncrcarea morii

Fig. 3. Coninutul de oxigen n funcie de ncrcarea morii

Aa cum se poate observa, datorit necesitii de a menine temperatura n separatorul morii in limite normale de funcionare, la sarcini sczute ale cazanului (implicit ale morii) se funcioneaz cu exces ridicat de aer, ceea ce favorizeaz formarea oxizilor de azot.

O modalitate de a limita introducerea de aer cald (reducerea excesului de aer) pentru a preveni creterea temperaturii n separatorul morii este aceea de a scdea cantitatea de gaze de ardere fierbini aspirate din focarul cazanului. Acest lucru se poate realiza prin reducerea corespunztoare a turaiei morii.

Reglajul turaiei morii se realizeaz prin intermediul unui cuplaj hidraulic cu reductor ncorporat.

Constructorul morii permite variaia turaiei n funcie de ncrcarea morii (fig.4.) astfel nct la o sarcin de 50% turaia morii s fie 80% din turaia nominal.

Fig. 4. Variaia turaiei morii

Linia ntrerupt d creterea acceptabil a turaiei n eventualitatea n care temperatura, separatorului se situeaz sub domeniul acceptabil, iar alimentarea cu aer cald a fost deja ntrerupt.

Sistemul de reglare automat a turaiei morii a fost adaptat astfel nct semnalul de referin turaie moar s fi format n mod automat n funcie de debitul de crbune al morii (fig. 5), unde funcia f1(x) reprezint graficul din fig.4.

Fig. 5. SRA turaie moar

Primele teste s-au efectuat cu reducerea turaiei morii, referina fiind setat de operator, pstrnd debitul de crbune relativ constant, pentru a se observa influena asupra temperaturii din separatorul morii fig. 6 n care:

culoare roie turaie moar;

culoarea verde temperatura n separatorul morii.

Fig. 6. Teste de reglare cu referina setat de operator

Se observ ca temperatura n separatorul morii scade ca i consecin a scderii turaiei morii.

Fig. 7. Teste de reglare cu referina format automat

Urmtorul pas a fost acela de a funciona cu semnalul de referin pentru turaia morii format n mod automat fig. 7, n care variaia temperaturii n separatorul morii este reprezentat de culoarea portocalie.

S-a observat faptul c dei debitul de crbune a variat, temperatura n separator s-a meninut constant numai prin aciune asupra turaiei morii.

Testele s-au efectuat cu clapeta de reglare a aerului primar n modul manual, pe poziie nchis (poziie la care circul numai un debit foarte mic de aer datorit infiltrrilor).

5. CONCLUZII

Testele efectuate au deschis posibilitatea de a regndi sistemul de reglare automat a temperaturii n separatorul morii, n special pentru clapetele de aer cald, astfel nct s se poat reduce excesul de aer la sarcini sczute, atunci cnd emisiile de NOx cresc.

Trebuie acordat o deosebit atenie funcionrii sigure a morilor i cazanului n ansamblu, curbele teoretice fiind numai punctul de plecare, n realitate fiind necesar ca pentru fiecare moar n parte s fie setate curbe caracteristice proprii, determinate n urma testelor.

Pe lng reducerea emisiilor de oxizi de azot datorat unei metode primare de reducere (reducerea excesului de aer), se obine i scderea consumului de energie pentru antrenarea morilor (pierderile prin frecare depind de turaie).

Pentru obinerea de rezultate optime, aceast metod trebuie combinat i cu alte metode de reducere a emisiilor de NOx.

BIBLIOGRAFIE

[1] Prevenirea si Controlul Integrat al Polurii (IPPC) - Document de Referin asupra Celor Mai Bune Tehnici Disponibile pentru Instalaiile Mari de Ardere - Mai 2005

[2] Lzroiu, Gh. Impactul CTE asupra mediului, Editura Politehnica Press, Bucureti, 2005.

[3] Instruciuni de exploatare a cazanului de 1035 t/h de la CTE Rovinari

[4] Procedura de exploatare pentru morile de crbune DGS 100

[5] Racoceanu, C. s.a. Posibilitti de reducere a emisiilor de NOx n centralele termoelectrice, Targu Jiu, 2002.

11