Možnosti snížení emisí oxidu dusíku energetických kotlů

Oxidy dusíku v energetických zaříze­ních vznikají při spalování paliv. Jsou uvá­děny pod pojmem NOx, který obvykle vy­jadřuje jejich koncentrace v přepočtu na oxid dusičitý NO₂. Ochrana ovzduší je v České republice řešena zákonem č. 86/2002, v rámci Evropské Unie opatře­ním 2001/80/EC. Podle tohoto zákona pro spalovací zdroje platí emisní limity pro tuhé látky, oxid siřičitý, oxid uhelnatý a pro oxidy dusíku. Limity jsou rozděleny do tří skupin – A, B, C. V jednotlivých skupinách jsou pak limity rozděleny podle typů spa­lovacích kotlů a jejich výkonů.
Platnost současných limitů (skupiny A) skončila 31. 12. 2007. Limity skupiny B platné od 1. 1. 2008 stanovují pro NOx limit 600 mg/m³ pro energetická zařízení o cel­kovém výkonu nad 100 MW na pevná pa­liva a biomasu. Pro kotle na kapalná paliva jsou tyto limity 450 mg/m³. Pro nové zdro­je a rekonstrukce povolené od 1. 1. 2003 platí emisní limity skupiny C, které stanoví mezní hodnoty emisí pro kotle na pevná a kapal­ná paliva uvedeného výkonu na 200 mg/m³.
Energetická zařízení výše uvedených výkonů v České republice byla uvedena do provozu před více než 20 lety a stojí před velkými rekonstrukcemi, jejichž cílem bude zabezpečit splnění limitů C. Podobná situace je i Evropě, kde podstat­ná část elektráren je již provozována 20 až 30 let. Na modernizovaná zařízení platí z hlediska emisí podmínky jako na zaříze­ní nová.
Pokud energetická zařízení nebudou emisní limity ke stanoveným datům splňo­vat, musí svůj provoz ukončit k zákonem stanovenému termínu. Dostatečně účin­ným řešením nemusí být použití „nízko­emisních“ hořáků, které v podstatě vhod­nějším způsobem připravují hořlavou směs ke spálení z hlediska tvorby NOx, pro­storové řízení důležitých technologických veličin kotle však nezjednodušuje.
Cestou ke splnění těchto tvrdých po­žadavků je použití pokročilé nízkonákla­dové technologie na omezení emisí NOx, která je prezentována v tomto referátu. Jejím cílem je zvýšit účinnost používaných primárních a sekundárních opatření efek­tivním řízením spalování a tuto zvýšenou účinnost zajistit při minimálních investič­ních a provozních nákladech.
 

ZÁKLADNÍ PRVKY NÍZKONÁKLADOVÉ TECHNOLOGIE NA OMEZENÍ EMISÍ OXI­DŮ DUSÍKU
Technická opatření k omezení emisí oxidů dusíku jsou založena na dalším zdo­konalení primárních opatření a na opti­malizaci souběžně probíhajících primár­ních a sekundárních opatření. Zdokonalení primárních opatření se opírá zejména o potlačení negativních vlivů teplotních výkyvů a nesymetrií spalování ve spalova­cí komoře na tvorbu NOx. Zdokonalení se­kundárních opatření je v podrobném vý­zkumu vlastností různých metod a růz­ných typů katalyzátorů pro podmínky po­užití českého hnědého uhlí. Zajištění opti­mální součinnosti primárních a sekundár­ních opatření je založeno na řízení spalo­vání, umožňujícím minimalizaci tvorby emisí a optimalizaci účinnosti reakcí se­kundárních opatření dle možností kon­krétního kotle.
Technická opatření k omezení emisí dusíku vyvíjená v I&C Energo ve spoluprá­ci s ČVUT Praha jsou nízkonákladová. Mají tyto základní prvky:

• zajištění spolehlivých a kvalitních dat pro vlastní řízení technologického pro­cesu,
• nakonfigurování a naladění matema­tického modelu k řízení procesu spalo­vání z hlediska potřeb účinnosti a tvor­by emisí,
• vytvoření řídicích algoritmů pro řízení rovnoměrnosti spalování a omezení tvorby emisí,
• vytvoření řídicích algoritmů pro řízení sekundárních opatření ke snižování vzniklých emisí,
• implementace technických opatření a ladění algoritmů řízení.

Dále jsou popsány jednotlivé prvky této nízkonákladové technologie.

Zajištění spolehlivých a věrohodných dat použitím metody pro validaci dat měřených na kotli

Běžným způsobem prováděná validace dat měřených na kotli nezajišťuje podmín­ky pro řízení kotle z hlediska přísných poža­davků na hodnoty jeho výstupních veličin. Zpravidla validace měřených dat je omeze­na na provádění kalibrace důležitých čidel používaných pro regulaci, čidel důležitých pro vyhodnocování emisí na výstupu z kotle (plnění legislativních norem). Dále na měření přesnosti přenosových tras sig­nálů za převodníky z čidel. Přesnost celých měřicích řetězců většinou zjišťována není. Mnohé veličiny důležité pro vyhodnocová­ní produkce emisí, efektivnosti spalování, provozu kotle nejsou měřeny vůbec.
Při vyhodnocování měření není zpra­vidla kontrolováno, zda měřené vstupní a výstupní veličiny jsou vzájemně konsis­tentní, tj. že si vzájemně odpovídají podle platných fyzikálních zákonů, kterými se procesy spalování v kotli řídí. Špatné nebo chybné měření předem vylučuje úspěšné použití optimalizačních metod. Pro validaci měřených dat v rámci projektu je používána metoda „vyrovnání dat“. Tato metoda umožňuje:

• zajištění konsistence dat (validovaná vstupní a výstupní data vyhovují fyzi­kálním zákonům dějů probíhajících v kotli), validaci vstupních a výstup­ních dat spalovací komory,
• dosažení vyšší přesnosti (menší ne-určitosti) měřených dat vůči údajům udávaným výrobcem,
• zjištění velkých chyb (označovaných jako hrubé chyby) měřených dat pře­sahujících mezní neurčitosti, jejichž použití celé měření a z něho vyplývají­cí závěry znehodnocuje,
• dopočty neměřených veličin, bez nichž nelze chování kotle podrobně vyhodnocovat, kotel řídit a bez nichž nelze provádět optimalizační analýzy typu „co se stane když“.

Nakonfigurování a naladění matema­tického modelu spalování v kotli pro stanovení algoritmů řízení spalování k omezování emisí
Známé modely kotlů používané na pracovištích v České republice jsou určeny pro dimenzování, případně v nových ver­zích pro určení vlivu změněných kon­strukčních podmínek resp. použití jiného paliva na vlastnosti kotle. Tyto modely pra­cují s „ustředěnými“ hodnotami technolo­gických veličin (teploty, rychlosti, tlaky) po řezech spalovací komorou kolmých na směr proudění spalin. Proto jsou pro řízení rovnoměrnosti spalování a rozložení tech­nologických veličin v kotli nepoužitelné.

Matematický model pro stanovení říze­ní spalování proto tento předpoklad neob­sahuje. Spalovací komora je po průřezu roz­dělena na nastavitelný počet segmentů, v nichž jsou technologické veličiny počítá­ny. Z těchto hodnot lze pak stanovit rozlo­žení technologických veličin, které je blízké rozložení prostorovému (tj. skutečnému).
Naladění modelu bude prováděno automatizovaně použitím provozních zá­znamů kotle při různých výkonových a provozních podmínkách, resp. záznamů speciálních. Přitom naladění bude moci být prováděno průběžně po uplynutí urči­tých časových intervalů, aby bylo možno zohlednit pomalé degradační jevy nebo čištění kotle, atd.
V rámci vývoje tohoto modelu je pro určité kontrolní výpočty používán program FLUENT. Sám program FLUENT nemá po­třebné vlastnosti k jejich využití pro řízení procesů spalování (velmi malá rychlost vý­počtu, problematika nalaďování modelu na měření, kvantifikace neurčitostí a další).
 

Vytvoření algoritmů pro řízení rovno­měrnosti spalování a snižování tvorby emisí pomocí naladěného modelu
Primární opatření jsou v současné době na elektrárnách používána k omeze­ní emisí NOx na úroveň platných limitů. Jsou převážně založena na distribuova­ném přívodu vzduchu (zejména sekundár­ního, jádrového vzduchu) na různých mís­tech do spalovací komory, na snížení pře­bytku vzduchu a na snížení teplot v ohniš­ti. Tato opatření však nestačí na bezpečné a trvalé udržení hodnot emisí pod 200 mg/m³. Současné dosažitelné úrovně emisí po za­vedení primárních opatření podle znalostí předkladatele projektu jsou cca 400 mg/m³. Některé elektrárny mohou však mít prob­lémy i s dosažením limitu 600 mg/m³.
Vývojový trend ve světě, spočívající v kombinovaném použití primárních opa­tření spolu s opatřeními sekundárními v optimalizované konfiguraci, umožňuje dosáhnout minimální tvorbu těchto emisí, optimalizovat podmínky, při nichž dochá­zí k chemickým reakcím, snížit spotřebu chemikálií a vyloučit vypouštění i v malém množství „nezreagované“ chemikálie do ovzduší. V konečném důsledku pak umož­ňuje nízkonákladový provoz dosažení úrovně limitů podle požadavků zákona.
Využití matematického modelu je ná­stroj ke zdokonalení primárních opatření a optimalizaci souběžně probíhajících pri­márních a sekundárních opatření. Zdoko­nalení primárních opatření je v potlačení negativních vlivů teplotních rozdílů a ne­symetrií spalování ve spalovací komoře na tvorbu NOx.
Pomocí matematického modelu, umožňujícího prostorové modelování, budou stanoveny charakteristiky vlivu jed­notlivých řídicích orgánů nebo skupin akč­ních orgánů na výstupní veličiny spalovací komory. Na jejich základě pak budou sta­noveny a ověřeny řídicí algoritmy pro říze­ní teplotních a emisních nerovnoměrností.
Na obr. 1 je pro ilustraci uvedeno pří­slušné blokové schéma řízení kotle. V jeho levé části je znázorněna řízená soustava a v pravé části jednotlivé řídicí obvody. Nové obvody, které plní popsané funkce z hlediska řízení spalování, jsou označeny tučně. Tyto obvody pak působí na řízení vzduchů do spalovací komory.
 

Obr. 1 - Blokové schéma struktury řízení výkonu kotle z hlediska emisí a účinnost 
 

Řízení parního výkonu kotle je na tomto obrázku znázorněno ve formě apli­kované na pilotní elektrárně Opatovice. Změna tlaku páry při změně výkonu turbi­ny vede ke změně množství primárního vzduchu, jeho změna po změně tlaku vzduchu ke změně množství vzduchu na­sávaného. Změna množství primárního vzduchu vede ke změně proudů do mlýnů a ta ke změně množství podávaného pali­va. Změna množství odebírané páry vede ke změně hladiny v bubnu a od této změny ke změně množství napájecí vody. Tímto postupem jsou energetické a hmo­tové bilance při změnách výkonu uváděny do souladu. Novými prvky jsou bloky zná­zorněné v horní části obrázku. Jejich funk­cí je řídit rovnoměrné rozložení teplot spa­lin a kyslíku v horní části spalovací komory a kontrolovat bilanci vzduchu z hlediska jeho přebytku.
Požadovanými novými vstupními hodnotami jsou proto koncentrace kyslíku na levé a pravé straně na výstupu ze spa­lovací komory a na výstupu z kotle (odpo­vídá komínové ztrátě), rozložení teplot spalin na výstupu ze spalovací komory, koncentrace NOx na výstupu ze spalovací komory koncentrace emisí NOx a teploty na výstupu ze spalovací komory. Žádané hodnoty teplot v horní části spalovací komory jsou v závislosti na výstupním kyslíku (očekávané komínové ztrátě), emisích NOx a na vlastnostech paliva.
V případě vstupních veličin, které jsou řízeny regulátory, je jejich vazba reguláto­ry (bloky Wr v dvojitém rámečku) označe­na zakroužkovanou číslicí. Pokud se týče označení, jsou na tomto obrázku znázor­něny tyto vstupy a výstupy:
Vstupy jsou jádrový vzduch do čtyř ho­řáků (JV), sekundární vzduch ke čtyřem hořákům (SV), dohořívací vzduch pro levou a pravou stranu (DV), studený vzduch (StV), množství nasávaného vzdu­chu (Mnv), součet primárního vzduchu (suma PV), množství paliva (mpal), množ­ství falešného vzduchu (FV - levá, pravá strana mezi měřicími místy kyslíku), teplo­ta nasávaného vzduchu (Tvzd), množství napájecí vody (Mnv). Výstupy jsou všechny regulované vý­stupní veličiny kotle a dále účinnost kotle a veličiny určující rovnoměrnost teplotní­ho a kyslíkového pole v horní části spalo­vací komory.
 

Vytvoření algoritmů pro řízení sekun­dárních opatření ke snižování koncentrací vzniklých emisí NOx nad přípustné limity
Sekundární opatření jsou dodatečným spolehlivým opatřením ke snížení emisí na potřebnou úroveň. Tato opatření předsta­vují zavedení skupiny chemických procesů v kotli, při které dochází k destrukci již vzniklých NOx ve spalinách aplikací che­mických procesů. Používaná sekundární opatření jsou založena selektivní katalytické reakci a se­lektivní nekatalytické reakci. Podle zná­mých údajů:

• Selektivní katalytická reakce má účinnost redukce NOx 80–90 %. Vyžaduje přítomnost katalyzátoru, reakce probíhá při teplotách 250–450 °C. Elektrická spotřeba pro tuto me­todu je cca 0,5 % vyrobené energie, tlakový spád na katalyzátoru je cca 0,4–1 kPa. Životnost katalyzátoru je 6–10 let, množství nezreagované látky je menší než 5 mg/m³. Rizika jsou při nedokonalé rekci v tvorbě siři­čitanu amonného a v možném úniku nezre­agované látky do atmosféry.
• Selektivní nekatalytická reakce má účinnost redukce NOx 30–50 %. Nevyžaduje přítomnost katalyzátoru, rekce probíhá při teplotách 850–1.050 °C. Elektrická spotře­ba pro tuto metodu je 0,1–0,3 % vyrobené energie, množství nezreagované látky je menší než 10 mg/Nm³. Doba setrvání v uvedeném teplotním rozsahu pro reakci je 0,2–0,5 s. Rizika metody jsou při nedo­konalé reakci v tvorbě siřičitanu amonné­ho a ve zvýšení čpavku ve spalinách.

Obdobné zkušenosti jsou i v zahraničí, kde jsou převážně využívány reakce za po­užití NH₃. Tyto chemické procesy spolehli­vě zajišťují snížení emisí NOx pod 200 mg/m³. Zatímco použití primárních opatření je nízkonákladové (nízké investič­ní náklady na modifikace a prakticky bez zvýšení provozních nákladů), sekundární opatření přestavují již náklady, které mohou být ekonomicky významné a rov­něž představují rizika možného ovlivnění okolí nebo snížení účinnosti při nevhod­ném provozování.
Z uvedeného vyplývá, že selektivní ne­katalytická reakce je méně nákladová, avšak probíhá při vyšších teplotách a cel­kově vyžaduje kvalitnější řízení než selek­tivní katalytická reakce.
Algoritmy pro řízení sekundárních opa­tření z pohledu omezení těchto rizik. Budou respektovat typ použité reakce (katalytická, nekatalytická). V případech, že se nepodaří řídicími opatřeními podle uvedených do­sáhnout rovnoměrného rozložení koncen­trací emisí na výstupu ze spalovací komory, budou řídit nerovnoměrnosti vstřiků che­mického reagentu tak, aby byl zcela zre­agován a nebyl vypouštěn do ovzduší a aby byly nastaveny optimální podmínky pro příslušnou chemickou reakci.
 

Vnitrokomorové měření pro řízení spalování
Aplikace metod snižování emisí vyžaduje mít k dispozici důležitých technologických veličin ze spalovacího procesu. Zejména jde o teploty a koncentrace kyslíku v horní části spalovací komory. Pokud se týče měření tep­lot ve spalovací komoře, byly vyhodnocová­ny následující metody“:
Termoelektrickými články. Jedná se o jednu z nejrozšířenějších metod. Jsou použi­telné pro bodová měření, výhodou je jedno­duchost, nízká ceny a vysoká spolehlivost Nevýhodou mohou být problémy s jejich tr­valým umístěním v požadovaném místě mě­ření a možnost poškození při provozu kotle. Pro konkrétní aplikaci byly posuzovány ter­močlánky kódu R (Pt – PtRh), které mají citlivost v oblasti teplot 1.000 °C cca 13 mikrovolt/ °C, tedy dávají slabší signál, avšak mají menší nejistotu.
Poměrové pyrometry. Tyto pyrometry vy­hodnocují povrchovou teplotu objektu na základě poměru dvou září (energií) při dvou různých vlnových délkách a vypočítávají je­jich poměr, který je známou funkcí teploty objektu. Poměrový pyrometr může elimino­vat chyby způsobení změnou emisivity a chyby, způsobené absorpcí záření, např. vodní parou v prostoru mezi měřeným ob­jektem a pyrometrem. Tyto změny musí ovlivňovat detekci stejným způsobem u stej­ných vlnových délek. Problém vyčíslování teploty je v tom, že není znám způsob zjiště­ní emisivity plamene pro zvolenou vlnovou délku a předpokládanou teplotu. Další prob­lém je v tom, že teplota v celém zvoleném, resp. optikou vytknutém objemu není stejná. Sejmutý signál přestavuje určitou střední hodnotu, přičemž definice „středování“ není jasná. V tom spočívá jeden z problémů měře­ní teplot v ohništi, zvláště pak v ohništi uhel­ných kotlů pyrometrickými metodami, pokud hledáme absolutní hodnoty teplot.
Bodové měření teplot v ohništi. I když sta­novení středních teplot v určitých rovinách či směrech v ohništi je významnější, resp. žáda­nější, např. pro kontrolu tepelných bilancí, nebo pro určení přenosu tepla do jednotli­vých výhřevných ploch kotle, je zjištění tep­lot spalin ve zvolených referenčních bodech důležité pro řešení problematiky řízení spalo­vání z hlediska optimalizace účinnosti a sni­žování emisí. K tomuto účelu bylo navrženo kombinované čidlo, využívající možnosti do­tykových i bezdotykových metod, jehož kon­cepce vychází ze zjištěných výhod a nevýhod obou metod. Sestává z na jednom konci za­slepené a proti ohništi utěsněné trubky, která je otvorem ve stěně vsunuta do ohniště. Pyrometricky je snímána teplota zaslepené­ho dna, které se kontaktem s proudícími spa­linami ohřeje na teplotu velmi blízkou teplo­tě media v daném místě. Paralelně je snímá­na teplota dna termočlánkem, jehož kom­penzační vedení je vedeno vnitřkem trubky. Schéma vývojového zařízení je na obr. 2. Provozní měření s tímto měřičem poskytují zatím podklady ke zpřesnění metody, k její kalibraci a ke konstrukčním změnám umož­ňujícím dlouhodobý provoz zařízení.

Obr. 2 - Schéma kombinovaného měřicího zařízení

ZÁVĚR
Opatření k redukci emisí oxidů dusíku musí být v souladu s opatřeními na celkové zvýšení efektivnosti provozu kotle a rovněž celého energetického zařízení. V případě kotle tato opatření musí rovněž zahrnovat naplnění kriterií na účinnost a minimalizaci emisí CO₂ a dále kriteria na optimální provoz­ní součinnost kotle s turbinou. Dále musí být naplněna kriteria na zajištění podmínek v horní části spalovací komory, aby nedochá­zelo ke zvýšenému zanášení kotle v této části.

LITERATURA:
[1] Rubek, J. – Pliska, J: Moderní trendy v opti­malizaci provozu elektráren a tepláren. Automa, 2007, roč. 13, č. 5, s. 28–30.
[2] Rubek, J. – Lepold, M. – Pliska, J.: Zvýšení přesnosti měření a její využití pro opti­malizaci provozu. Automa, 2007, roč. 13, č. 7, s. 36–38.

Options for decrease in nitrogen oxide emissions of power boilers

The review deals with the issues of decreasing nitrogen oxide emissions of power boilers by means of their more perfect mana­gement, which is enabled by current computer and management technology. The purpose of this facility is to achieve even distribu­tion of combustion product temperature and oxide concentration horizontally and mainly in the upper part of the combustion cham­ber. The method of identifying quantity of the combustion process based on modeling is described as well as the way of this model se­tting to operational measuring. A new method is presented for me­asuring technological quantities in combustion chamber.

Возможности снижения эмиссии окиси азота нергетических котлов

Реферат рассматривает проблематику снижения эмиссии рехокиси азота энергетических котлов с помощью применения более совершенного управления процессами, которое позволяет осуществлять современная компьютерная и управляющая техника. Целью такого управления является авномерное распределение температур продуктов сгорания и концентрации кислорода (особенно в верхней части амеры сгорания). В статье описывается метод определения еличин сгорания, опирающийся на моделирование этого роцесса, и способы применения этих моделей при эксплуатационных измерениях. Представлен новый метод измерения технологических величин в камере сгорания.

Autor

• Ing. Lepold Martin