Použití elektrostatického odlučovače ke snížení emisí prachu z kotle 250 kW
Použitím elektrostatického odlučovače byly emise prachu (TZL – tuhé znečišťující látky) z kotle na pevná paliva sníženy hluboko pod úroveň požadavků dle ČSN EN 303-5 – třída 5 a směrnice o Ekodesignu. V této práci je uveden popis konstrukce odlučovače a také jsou představené dosažené emisní parametry kotle o výkonu 250 kW.
1 Úvod
Přes vzrůstající tlak na snižování spotřeby uhlí a obecněji pevných paliv, tedy i biomasy, se dá předpokládat, že snižování této spotřeby bude pozvolné a fosilní paliva budou hrát důležitou roli pro teplárenský průmysl, ale taky pro malá zařízení ještě pozoruhodnou dobu. Dle bilance emisí tuhých znečišťujících látek (TZL) pochází více než 1/3 prachu z vytápění domácností viz obr. 1.
![Obr. 1. Bilance emisí tuhých znečišťujících látek (TZL) v ČR pro rok 2015 dle ČHMÚ [1]](/docu/clanky/0218/021865o1.png)
Obr. 1. Bilance emisí tuhých znečišťujících látek (TZL) v ČR pro rok 2015 dle ČHMÚ [1]
Některé další evropské země deklarují podobnou úroveň emisí malých zdrojů. Podle výzkumů [2, 3] se do roku 2030 podíl emisí z vytápění domácností v celkové národní bilanci výrazně nezmění. Od 1. ledna 2020 vstoupilo v platnost Nařízení komise EU 2015/1189 o ekodesignu teplovodních kotlů na pevná paliva, kterým se provádí směrnice Evropského parlamentu a Rady 2009/125/ES. Ekodesign pro teplovodní kotle na pevná paliva stanovuje limity pro sezónní emise TZL na hodnotě 40 mg/m3N u automatických kotlů a 60 mg/m3N u kotlů s ručním přikládáním paliva (obě hodnoty koncentrace TZL jsou vyjádřeny v suchých spalinách, při 0 °C, 101,3 kPa, a 10 % O2). Kromě toho, na území celé EU platí norma EN 303-5 [4], která, pro třídu 5 vyžaduje koncentrace TZL ve spalinách na stejných hodnotách jako Ekodesign s tím, ale že musí být splněny jak při sníženém výkonu (30% Pjm), tak při jmenovitém výkonu. Některé státy uvádějí ještě přesnější požadavky: například Německo omezuje nařízením vlády [5] koncentrace TZL ve spalinách malých kotlů pod úroveň 20 mg/m3N (při 13 % O2) což je cca 28 mg/m3N (při 10 % O2). Samostatnou oblastí jsou dotační programy, u kterých je výše dotace vázána na úroveň produkce znečišťujících látek.
V souladu s touto legislativou, výrobci kotlů provádějí opatření pro snížení emisí TZL metodou optimalizace procesů spalování a konstrukčními úpravami kotlů. Tato primární opatření však nejsou vždy dostatečně účinná, a proto je potřeba provést i sekundární opatření, která spočívají v čištění spalin pod legislativně povolenou úroveň koncentraci TZL.
K tomuto účelu jsou k dispozici některé technologie pro snižování koncentrace TZL ve spalinách – mechanické separace, mokré čištění spalin, filtrace a elektrostatické odlučování. Elektrostatické odlučovače (dále jen EO) se jeví jako jedna z nejvhodnějších možností, protože mají vysokou účinnost odstraňování TZL (nad 95 %), jsou spolehlivé, jejich provoz a údržba jsou jednoduché, jsou úsporné a levné. Komplikace spojené s použitím vysokého napětí (dále jen VN) mají jednoduchá technická řešení a mají široké příklady použití v domácnostech.
Tato zařízení používají elektrická pole pro odstraňování částic z proudících plynů. Proces elektrostatického čištění plynů zahrnuje nabíjení suspendovaných částic v elektrickém poli a následně jejich odstraňování z proudu plynu vlivem elektrických sil. Běžný EO se skládá ze sršících a usazovacích elektrod, mezi kterými je vytvářeno elektrické pole pomocí připojení vysokého napětí. Toto elektrické pole je značně nerovnoměrné, kvůli čemuž vzniká v blízkostí sršících elektrod zóna ionizace plynů s tvorbou záporných a kladných iontů. Tím se plynné médium ionizuje. Jakmile se spaliny dostanou do tohoto elektrického pole, částice se nabíjejí. Když se částice nabije, pole může ovlivnit její chování – částice se přesměrují na elektrody a usadí se na jejich povrchu. Tím jsou částice odstraněny z plynného média (spalin) a vyčištěný plyn opouští EO.
Prototyp EO byl navržen pro použití s kotlem o jmenovitém výkonu 250 kW, spalujícím tyto druhy paliva:
- hnědé uhlí (Ořech 2), jehož parametry splňují požadavky vyhlášky č. 415/2012 Sb. [6]
- dřevní pelety odpovídající požadavkům ČSN EN ISO 17225-2. [7]
Tento kotel je vybaven zásobníkem se šnekovým dodáváním paliva do dolní části retortového hořáku. Přívod vzduchu, který je potřebný pro spalování, je zajištěn primárními a sekundárním ventilátorem. Tyto ventilátory jsou řízeny automaticky. Spaliny, vznikající ve spalovací komoře, dále procházejí trubkovými výměníky pro ohřev otopné vody. Kotel splňuje požadavky směrnice o Ekodesignu s výjimkou požadavku na koncentraci TZL při spalování uhlí.
Požadavky pro návrh EO pro uvedený kotel jsou definovány takto:
- množství spalin procházejících EO: cca 1000/800 m3/h při teplotě 150/100 °C (jmenovitý výkon/minimální výkon),
- EO musí být instalován za kotlem jako jeho součást,
- EO musí zajistit odlučování TZL ze spalin s účinností dostačující ke splnění požadavků směrnice Ekodesign,
- při poruše EO nesmí být umožněn provoz kotle,
- cena EO nesmí zvýšit pořizovací cenu celého kotle o víc než 10 %,
- perioda údržby EO musí odpovídat periodě údržby samotného kotle,
- musí být zajištěna bezpečnost uživatele před úrazem elektrickým proudem dle platných norem a směrnic a dále musí EO plnit požadavky směrnic na elektromagnetickou kompatibilitu.
2 Technický popis EO
Na základě zmíněných požadavků byla navržena svislá konstrukce EO s voštinovými usazovacími elektrodami, přičemž v ose každé voštiny jsou umístěny sršící elektrody.
EO je neoddělitelnou součástí kotle a je určen k připojení ke kotli dle Obr. 2 A. Po výstupu z kotle vstupují spaliny do EO (Obr. 2 B). V něm nejprve probíhá rovnoměrné rozložení spalin v distribuční komoře a následné odloučení TZL se uskutečňuje v elektrickém poli EO, ve kterém je konstrukce rozdělena na dvě paralelní sekce. Každá sekce vytváří své vlastní elektrické pole a je tvořena kazetou s voštinovými usazovacími elektrodami a skupinou sršících elektrod.
A
B
Obr. 2. Instalace EO za kotlem (A), schéma proudění spalin v EO (B)
1 – skříň EO, 2 – vstup spalin, 3 – výstup očistěných spalin, 4 – sršící elektrody, 5 – usazovací elektrody, 6 – izolátory, 7 – servisní kryt
Obr. 3. Rozměry EO
EO se skládá z mechanické a elektrické části. Mechanická část EO se skládá z nosné skříně a vnitřního mechanického zařízení. Skříň má tepelnou izolaci a horní kryt, sloužící k údržbě vnitřních částí EO. Tepelná izolace braní tvorbě kondenzátu v prostoru EO a oteplení jeho povrchu nad hodnotu bezpečnou pro uživatele, v souladu s normou ČSN EN 303-5. Rozměry odlučovače jsou uvedeny na Obr. 3.
K vnitřnímu mechanickému zařízení patří usazovací elektrody, sršící elektrody a izolátory. Usazovací elektrody jsou vyrobeny ohybem z kovového plechu, následně jsou na sebe skládány a svařeny do tvaru voštinové kazety. Kazeta je zavěšená ve skříni na speciálních ramenech.
V ose každé voštiny je umístěna sršící elektroda, která je vyrobená z nerezového drátu. V horní a dolní častí kazety jsou umístěny rámy, sloužící k centrování a natahování drátů v osách usazovacích elektrod. Každý rám se instaluje ke kazetě pomocí 4 speciálních izolátorů. Všechny izolátory jsou vyrobeny z materiálů zajišťujících požadovanou mechanickou a elektrickou pevnost a také tepelnou odolnost.
EO je napájen zdrojem vysokého napětí připojeném na sršící a usazovací elektrod. Maximální hodnota el. napětí je 10 kV a el. proudu 25 mA. Měrný příkon EO se pohyboval v rozsahu cca 0,25 až 0,3 W/m3 spalin. Zvláštní pozornost je věnována zajištění elektrické bezpečnosti zařízení.
Perioda údržby a obsluhy EO je shodná s periodou údržby a obsluhy kotle, která se v souvislosti s režimy provozu kotle pohybuje v intervalu od 700 do 3 000 hodin.
3 Emisní parametry kotle s EO
Zkoušení emisních parametrů proběhlo na instalaci kotle s EO, znázorněné na Obr. 4. Pomocí odtahového ventilátoru byl za EO zajištěn podtlak 20 Pa, dle požadavku výrobce [4]. Zkoušky byly prováděny při stabilním provozu kotle – stabilní koncentrace CO a teplota spalin. Zkoušky byly prováděny při jmenovitém a minimálním tepelném výkonu kotle. Při spalovacích zkouškách bylo jako palivo použito hnědé uhlí (Ořech 2) a dřevní pelety. Charakteristiky těchto paliv jsou uvedeny v Tab. 1.
Obr. 4. Instalace kotle s EO
| Prvek | Označení | Hnědé uhlí [%hm.] | Dřevní pelety [%hm.] |
|---|---|---|---|
| Uhlík | C | 53,75 | 47,53 |
| Vodík | H | 4,32 | 5,70 |
| Dusík | N | 0,63 | <0,20 |
| Kyslík | O | 13,50 | 40,25 |
| Síra | S | 0,57 | <0,02 |
| Voda veškerá | W | 15,00 | 6,05 |
| Popel | A | 12,23 | 0,25 |
Úsek za kotlem je určen pro standardizovaná měření TZL, teploty spalin, podtlaku a odběr vzorku pro stanovení složení spalin. Stanovení hmotnostní koncentrace TZL bylo provedeno manuální gravimetrickou metodou, dle normy ČSN EN 13284-1, která je založena na odsávání a filtraci části spalin s vážením filtru před a po odběru. Principem této metody je izokinetický odběr vzorku z hlavního proudu spalin spolu s měřením množství odebraných spalin. Z vypočtené navážky TZL na filtru a známého množství odsátých spalin je vypočtena koncentrace TZL ve spalinách.
Účinnost EO byla vypočítána z poměru koncentrací TZL zjištěných při provozu kotle se zapnutým (CESP on) a vypnutým (CESP off) EO:
Dle porovnání úrovní TZL při zapnutém a vypnutém EO můžeme konstatovat, že koncentrace TZL byla při spalování uhlí snížena z 77 na 26 mg/m3 (jmenovitý výkon) a z 78 na 23 mg/m3 (snížený výkon). Při spalování dřevních pelet byla koncentrace TZL snížena z 21 na 4 mg/m3 (jmenovitý výkon) a z 30 na 4 mg/m3 (snížený výkon). Výsledky měření jsou uvedeny v Tab. 2. V případě, že by za kotlem nebyl EO vůbec nainstalován, byla koncentrace TZL ještě o trochu větší než v tabulce uvedené hodnoty EO – vypnuto, protože v samotném EO (bez napětí) dochází také k částečné separaci TZL.
| Parametr | Jednotka | Hnědé uhlí jmenovitý / snížený výkon | Dřevní pelety jmenovitý / snížený výkon |
|---|---|---|---|
| Výkon kotle | kW | 239 / 71 | 250 / 71,5 |
| Teplota spalin | °C | 103 / 74 | 107 / 70 |
| Koncentrace O2 | %obj. | 9,4 / 14,2 | 7,9 / 12,9 |
| TZL* | mg/m3 | 77 (26) / 78 (23)** | 21 (4) / 30 (4)** |
| Účinnost EO | 0,66 / 0,70 | 0,80 / 0,87 | |
| *Suché spaliny (0 °C, 101 3 kPa); referenční O2 = 10 %obj. **Hodnoty v závorkách – EO zapnuto, hodnoty mimo závorky – EO vypnuto | |||
4 Závěr
Primární opatření pro snížení prachu nebyla při spalování uhlí dostatečná pro dosažení přísných požadavků. Proto byl vyvinut EO, který pracoval s účinností odloučení prachu na úrovni cca 66 % pro spalování uhlí a 80 % pro spalování dřevních pelet. Tím se snížily výstupní koncentrace prachu z cca 77 mg/m3N na cca 26 mg/m3N (při 10 % O2) pro spalování uhlí a z cca 30 mg/m3N na cca 4 mg/m3N (při 10 % O2) pro spalování dřevních pelet. Instalace EO nijak negativně neovlivnila provoz kotle. Ověřené principy odlučování nezávisí na výkonu kotle a je možné je aplikovat i pro kotle menších výkonů. Samostatnou otázkou však zůstává finanční náročnost tohoto řešení. Relativní navýšení ceny u kotle o výkonu 250 kW bude vždy menší, než u kotle o výkonu na úrovni 20 kW.
5 Poděkování
Tato práce vznikla v rámci projektu č. FV20623 za finanční podpory MPO v rámci programu TRIO.
Literatura
- CHMU, Czech Republic Emission Balance, 2015, 2017.
- M. Amann, J. Cofala, Z. Klimont, C. Nagl, W. Schieder, MEASURES TO ADDRESS AIR POLLUTION FROM SMALL COMBUSTION SOURCES 2018.
- M. Amann, M. Anderl, J. Borken-Kleefeld, J. Cofala, C. Heyes, L. Höglund Isaksson, G. Kiesewetter, Z. Klimont, L. Moosmann, P. Rafaj, R. Sander, W. Schöpp, M. Tista, F. Wagner, W. Winiwarter, Progress towards the achievement of the EU's air quality and emissions objectives, IIASA, 2018.
- EN303-5:2012, Heating boilers - Part 5: Heating boilers for solid fuels, manually and automatically stoked, nominal heat output of up to 500 kW - Terminology, requirements, testing and marking.
- 1. BImSchV. Erste Verordnung zur Durchführung des Bundes-Immissionsschutzgesetzes (Verordnung über kleine und mittlere Feuerungsanlagen). 2010.
- Vyhláška č. 415/2012 Sb. – Vyhláška o přípustné úrovni znečišťování a jejím zjišťování a o provedení některých dalších ustanovení zákona o ochraně ovzduší. Účinnost od: 1. 12. 2012.
- ČSN EN ISO 17225-2 – Tuhá biopaliva – specifikace a třídy paliv – Část 2: Tříděné dřevní pelety. Účinnost od: 1. 2. 2015.
By using an electrostatic precipitator, dust emissions (TZL - solid pollutants) from the solid fuel boiler were reduced well below the level of requirements according to ČSN EN 303-5 - class 5 and the Ecodesign Directive. This work describes the design of the separator and also presents the achieved emission parameters of the boiler with an output of 250 kW.