Analiza porwnawcza technologii odazotowania spalin metoda SNCR i

Analiza porównawcza technologii odazotowania spalin metoda SNCR i SCR Tail-End dla CEZ Skawina S. A. Wykonanie Instalacji odazotowania spalin z czterech kotłów OP-210 M i dwóch kotłów OP-230 Sopot 27. 10. 2017

AGENDA 1. 2. 3. 4. 5. Informacje o firmie SBB Energy Limity emisji NOx – CEZ Skawina Technologia SNCR dla CEZ Skawina Technologia SCR § § Rodzaje katalizatorów SCR - możliwe konfiguracje 6. Technologia SCR Tail-End § § § Główne elementy systemu SCR Tail End Zalety układu SCR Tail-End Przykłady instalacji SCR Tail-End 7. Uproszczona analiza ekonomiczna – SNCR vs. SCR

KOMPLEKSOWE PODEJŚCIE DO KAŻDEGO TEMATU § § § Analiza obiektu i inwentaryzacja Doradztwo techniczne – optymalne rozwiązanie Analiza procesu spalania Modelowanie CFD Modelowanie i analiza przepływów Basic Engineering Projekt wykonawczy Kompletacja zakupów i prefabrykacja Realizacja i zarządzanie projektem Uruchomienie i optymalizacja Serwis gwarancyjny i pogwarancyjny

CEZ Skawina Wykonanie Instalacji odazotowania spalin z czterech kotłów OP-210 M i dwóch kotłów OP-230 w CEZ Skawina S. A. Aktualna emisja NOx ≈ 450 mg/Nm 3 Limity emisji NOx Dyrektywa IED NOx = 200 mg/Nm 3 Konkluzje BAT/BREF Poziomy emisji tlenków azotu dla źródeł o mocy powyżej 300 MWt NOx = 65 -150 mg/Nm 3 (średnia roczna) NOx = 85 -165 mg/Nm 3 (średnia dobowa) SNCR ROZWIĄZANIE SCR Tail-End

TECHNOLOGIE DE-NOx - SNCR RRMIX SNCR (Selective Non-Catalytic Reduction) – drugi stopień redukcji emisji tlenków azotu, w którym tlenki azotu redukowane są za pomocą związków chemicznych będących pochodną amoniaku. Wykorzystywana jest reakcja amoniaku z tlenkami azotu, w efekcie której tworzy się azot oraz woda. Reakcja przebiega efektywnie w ściśle określonej temperaturze. UWAGA! Metoda SNCR wymaga daleko idących zmian konstrukcyjnych – zabudowy dodatkowych elementów w kotle, co nie zawsze jest możliwe dla istniejących obiektów.

Metody wtórne niekatalityczne - RRMIX

Technologia SNCR Bardzo istotnymi faktami wpływającymi na sprawność reakcji redukcji NOx z wykorzystaniem SNCR jest czas przebywania reagenta w środowisku redukcyjnym, intensywne mieszanie spalin z reagentem w komorze oraz temperatura spalin. Okno temperaturowe dla SNCR Wpływ czasu przebywania na redukcję NOx Podstawowym oraz najczęściej wykorzystywanym parametrem przy doborze instalacji SNCR jest temperatura spalin. Określenie odpowiedniej lokalizacji poszczególnych dysz SNCR na ścianach komory kotła jest kluczowe w celu osiągniecia wymaganego poziomu redukcji, zatem lokalizacja dysz SNCR jest ściśle powiązana z profilem temperatury w kotle.

Technologia SNCR Obecność nieprzereagowanego reagenta w spalinach nie jest obojętna dla eksploatacji kotła. Amoniak powstały z rozkładu mocznika lub z wody amoniakalnej ulatuje ze spalinami do atmosfery oraz osadza się na ubocznych produktach spalania, takich jak: popiół lotny (głównie), żużel oraz gips. Schemat rozdziału amoniaku podczas reakcji SNCR Redukcja NOx dla różnych wartości ulotu amoniaku Zawartość związków amonowych w popiele lotnym w zależności od koncentracji pyłu w spalinach i poziomu ulotu amoniaku

Technologia SNCR Efektem ubocznym metody SNCR jest także powstawanie soli amonowych, które powstają przy spalaniu wysokozasiarczonych paliw. Nieprzereagowany amoniak w niższych temperaturach wiąże się z SO 3 prowadząc do powstania siarczanów i wodorosiarczanów amonu: Ø NH 4 HSO 4 – wodorosiarczan amonu (ang. ABS – ammonium bisulphate) – ilość jego powstawania zależy od nadmiaru SO 3 do NH 3 oraz alkaliczności popiołu (im p. H wyższe, tym mniej ABS). Ø (NH 4)2 SO 4 – siarczan amonu (ang. AS – ammonium sulphate) – tworzony w mniejszym stopniu. Powstaje głównie przy dużym nadmiarze amoniaku do SO 3. Jego ilość można kontrolować ograniczając ulot NH 3. ! Osadzanie się wyżej wymienionych substancji prowadzi do wzrostu oporów przepływu oraz korozji podgrzewacza powietrza i w konsekwencji prowadzi to do częstych odstawień kotła, zwiększonego kosztu obsługi wynikającego z częstych przeglądów oraz usuwania skutków korozji, straty sprawności układu oraz zwiększonych kosztów własnych bloków.

Technologia SNCR dla CEZ Skawina Wymagana, ponad 55% redukcja NOx jest bardzo trudna do osiągnięcia w małych kotłach bazując wyłącznie na technologii SNCR. Główne niekorzystne zjawiska towarzyszące technologii SNCR pracującej przy tak dużej redukcji tlenków azotu: 1. Bardzo mała strefa redukcji, która często znajduje się w obszarze grodziowego przegrzewacza pary lub tuż pod nim; 2. Słaba intensywność mieszania spalin z reagentem w górnej części kotła; 3. Uzyskanie wymaganej redukcji wiąże się z zastosowaniem dużej ilości reagenta; 4. Stosowanie dużej ilości reagenta prowadzi do nieuniknionego wzrostu ulotu amoniaku w spalinach, co może spowodować przekroczenie dopuszczalnego poziomu związków amonowych w popiele; 5. Problemy ze szlakowaniem elementów ogrzewalnych komory paleniskowej oraz przegrzewaczy, 6. Korozja elementów ogrzewalnych komory paleniskowej oraz przegrzewaczy, 7. Podwyższenie emisji CO, 8. Podwyższenie emisji N 2 O (gazu cieplarnianego). Skawina - SNCR – kotły OP-210 M Instalacja SNCR ma także negatywny wpływ na sprawność kotła. W przypadku Elektrowni CEZ Skawina analizowany przypadek przekłada się na stratę sprawności na poziomie 0, 42%.

TECHNOLOGIE DE-NOx - SCR (Selective Catalytic Reduction) Selektywna redukcja katalityczna (SCR) jest najbardziej zaawansowaną technologią redukcji NOx. Pozwala na osiągnięcie największego stopnia redukcji NOx. W metodzie SCR redukcja NOx odbywa się na powierzchni katalizatora, gdzie reagentem jest gazowy amoniak. W przestrzeni reaktora, tlenki azotu NO i NO 2 ulegają reakcji redukcji, w skutek czego powstaje azot cząsteczkowy i para wodna. Reakcja ta jest reakcją powierzchniową NO i NO 2 z podanym NH 3 według mechanizmu opisanego poniżej: 4 NO + 4 NH 3 + O 2 → 4 N 2 + 6 H 2 O 6 NO 2 + 8 NH 3 → 7 N 2 + 12 H 2 O Proces redukcji przebiega w następujących etapach: § Transport w strumieniu spalin gazowego NH 3 na powierzchnię katalizatora i adsorpcja w warstwie katalitycznej. § Dyfuzja NO i NO 2 przepływających w strumieniu spalin, kontakt z zaadsorbowanym NH 3, reakcja redukcji oraz dyfuzja gazowych produktów do strumienia spalin. § Dyfuzja cząsteczki O 2 do katalizatora, w celu regeneracji centrum aktywnego

Technologia SCR - Katalizator Kluczowym elementem instalacji SCR jest katalizator, którego główną funkcją jest obniżenie energii aktywacji w reakcjach chemicznych, dzięki czemu możliwe jest przyspieszenie przebiegu reakcji przy niższych temperaturach (270 -550 o. C). Najczęściej stosowanymi katalizatorami do usuwania tlenków azotu są katalizatory wanadowe. Rodzaje katalizatorów wanadowych: • Plate (katalizator płytowy) – substancje naniesione na kształtowane płyty ze stali nierdzewnej. Jest to najpopularniejszy typ dla elektrowni węglowych z układem „High dust”. Ten typ katalizatora charakteryzuje duża odporność na zablokowanie popiołem oraz dobra wytrzymałość mechaniczna. Katalizator płytowy • Honeycomb (plaster miodu) – nośnikiem jest ceramiczny monolit. Popularny dla układów „Tail-End” lub „Low dust”. Posiada wysoką powierzchnię właściwą i jest najbardziej odporny na wysoką temperaturę. • Corrugated fiber (karbowane włókna) – oparty o włókno szklane. Obecnie rzadko wykorzystywany. Zwykle ma gorsze właściwości mechaniczne od pozostałych. Może charakteryzować się zwiększoną odpornością na zatrucia. Katalizator typu plaster miodu

Technologie SCR – możliwe konfiguracje Reaktor Instalacja odsiarczania spalin Reaktor Podgrzew spalin Odpylanie REGAVO Low Dust Kocioł High Dust Podgrzew spalin Układ SCR Reaktor Odpylanie REGAVO Kocioł Tail End Instalacja odsiarczania spalin

Główne elementy systemu SCR Tail End Bypass optymalizacji kosztów eksploatacji SCR Bypass rozruchu układu SCR Bypass dla pominięcia układu SCR

CEZ Skawina układ SCR Tail End Nominalny przepływ spalin Ilość reaktorów: 2 x 550 000 Nm 3/h (spaliny mokre) 2 Stężenie NOx na wejściu Stężenie NOx na wyjściu Podgrzew spalin: 350 -500 mg/Nm 3 Wtrysk reagenta do spalin: Czynnik użyty do odparowania reagenta: W stanie gazowym 150 mg/Nm 3 Parowy Kondensat pary użytej do podgrzewu spalin

Zalety układu SCR Tail-End 1. Mniejsze narażenie katalizatora na zużycie mechaniczne W układach Tail End najczęściej stosowana jest forma plastra miodu (honeycomb). Nie jest wymagany montaż katalizatora płytowego (odporniejszego na ścieranie przez pył), który jest najczęściej stosowany w aplikacjach High Dust. Wadą katalizatora płytowego jest mniejsza powierzchnia właściwa, co przekłada się na duże wymiary reaktora. Katalizator uszkodzony mechanicznie – układ High Dust 2. Ograniczone zjawisko zatykania porów katalizatora. W reaktorze Tail-End szczeliny nie są zatykane przez przelatujący pył. Mniejsze wymiary oczek katalizatora dla układu Tail-End przekładają się na mniejszy przekrój poprzeczny reaktora z powodu większej powierzchni użytecznej katalizatora. W układzie Tail End system czyszczenia katalizatora nie jest wymagany. Katalizator zatkany przez pył – układ High Dust

Zalety układu SCR Tail-End 3. Nie występuje problem odkładania amoniaku w popiele W układach Tail End popiół jest odbierany przed miejscem wtrysku reagenta. Z tego powodu zachowuje dobre parametry handlowe. Miejsce dozowania reagenta Popiół 4. Ograniczone zatruwanie katalizatora Cześć składników spalin będących truciznami katalizatora odkłada się na popiele i jest z nim usuwana ze spalin przed kontaktem z katalizatorem. Trucizny zaadsorbowane na powierzchni popiołu 5. Ograniczone zjawisko konwersji SO 2 do SO 3 W procesie odsiarczania usuwana jest większość tlenków siarki. Mniejsza ilość SO 2 dochodząca do katalizatora przekłada się na bardzo małą ogólną ilość powstałego w reakcji ubocznej SO 3.

Zalety układu SCR Tail-End 6. Dłuższa żywotność katalizatora Łagodniejsze warunki pracy przekładają się na dłuższą żywotność katalizatora, która może być wyższa o 1 -2 lat w porównaniu do układu High Dust. Instalacje SCR w układzie Tail-End są zalecane dla kotłów spalających paliwa odznaczające się dużą ilością trucizn, np. słoma. Czas pracy katalizatora Przykładowy Catalyst Management Plan dla SCR Tail End, kocioł opalany węglem

Uproszczona analiza ekonomiczna 14000 350 000 przegląd 13000 odparowania wody zdemineralizowanej [tys. PLN/rok] 110000 para technologiczna 9000 energia elektryczna 8000 wody demi 7000 reagenta 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 4 SNCR 200 mg/Nm 3 NOx 1 SCR 150 mg/Nm 3 NOx Porównanie nakładów inwestycyjnych i kosztów eksploatacji [tys. PLN] sprężonego powietrza AKPi. A 12000 Koszty eksploatacji, Koszt regeneracji, wymiany katalizatora 330 000 310 000 Suma kosztów eksploatacji 290 000 270 000 250 000 Nakłady inwestycyjne 230 000 210 000 190 000 170 000 150 000 130 000 110 000 90 000 70 000 50 000 30 000 10 000 4 SNCR 200 mg/Nm 3 NOx 1 SCR 150 mg/Nm 3 NOx

-1 340 000 310 000 280 000 0 1 2 4 SNCR - NPV(t) 3 4 5 1 SCR - NPV(t) 6 7 8 9 10 4 SNCR 150 mg/Nm 3 NOx Całkowity koszt inwestycji [tys. PLN] 250 000 220 000 190 000 160 000 130 000 100 000 70 000 40 000 10 000 -20 000 -50 000 -80 000 -110 000 -140 000 -170 000 -200 000 -230 000 -260 000 Czas eksploatacji instalacji [lata] 11 12 13 1 SCR 150 mg/Nm 3 NOx 14 15

Uproszczona analiza ekonomiczna -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 340 000 310 000 280 000 4 SNCR - NPV(t) 1 SCR - NPV(t) 4 SNCR 150 mg/Nm 3 NOx 1 SCR 150 mg/Nm 3 NOx [tys. PLN] 220 000 Całkowity koszt inwestycji 250 000 100 000 190 000 160 000 130 000 70 000 40 000 10 000 -20 000 -50 000 -80 000 -110 000 -140 000 -170 000 -200 000 -230 000 -260 000 Czas eksploatacji instalacji [lata] 11 12 13 14 15

Zakres projektu Węzeł SCR Tail End (dwie nitki): 4 1. obrotowy regeneracyjny wymiennik ciepła spaliny-spaliny (REGAVO) 3 2 2. parowy podgrzewacz spalin 3. siatka wtrysku amoniaku reaktor SCR 4. Reaktor SCR 1

Zakres projektu Reaktor Wymiennik para-spaliny Wymiennik spaliny-spaliny Wentylator spalin

Zakres projektu Układ by-passów 1 3 2

Zakres projektu Reaktor SCR Ilość 2 szt. Ułożenie Pionowy Ilość warstw 1 + 1 rezerwowa Przepływ spalin Góra - Dół Ilość reaktorów na nitkę 1 Materiał stal węglowa Warstwa 2 Warstwa 1

Zakres projektu Reaktor SCR - obsługa Pomosty obsługowe między reaktorami, wyposażone w dedykowane wciągniki. Moduły przystosowane do transportu z wykorzystaniem specjalnej trawersy.

Zakres projektu Reaktor SCR – wkłady katalityczne Ilość warstw: 1 warstwa początkowa + 1 warstwa zapasowa Typ: Honeycomb Konfiguracja: 7 x 5 modułów w warstwie Objętość: ~73 m 3 warstwa Podziałka: 4. 2 mm podziałka

Zakres projektu Węzeł rozładunku: 1. Zbiorniki wody amoniakalnej 2. Pompy rozładunkowe 3. Pompy przesyłowe 1 4. Taca rozładunkowa 2 3 4

DZIĘKUJEMY ZA UWAGĘ