csökkentése kiegészítő tüzelőanyag felhasználásakor a cementgyártásban

Átírás

1 LEVEGÕTISZTASÁG-VÉDELEM Nitrogén-oxidok emissziójának csökkentése kiegészítő tüzelőanyag felhasználásakor a cementgyártásban Tárgyszavak: cementgyártás; nitrogén-oxid-kibocsátás; égetés; együttégetés; emissziócsökkentés. A cementgyártás nem tartozik a környezetkímélő technológiák közé. Mindenekelőtt a nagy porkibocsátás okoz gondot, de a tüzeléshez felhasznált szén kéntartalmából felszabaduló kén-dioxid és az emittált nitrogén-oxidok (nitrózus gázok) is súlyos környezetterhelést jelentenek. A cementgyárak nagy erőfeszítéseket tesznek azért, hogy az egyre szigorodó előírásoknak eleget tudjanak tenni. A cementgyártásban szívesen alkalmaznak ból származó kiegészítő tüzelőanyagot, mert ez nem csak gazdaságos, hanem egyúttal kíméli a környezetet is. A HeidelbergCement AG egyik vállalatában, a norvégiai Norcem cementgyár breviki üzemében jónéhány éve adagolnak elégethető ot, nevezetesen szemétből származó éghető anyagot, folyékony ot, szilárd ot, állati lisztet, fáradtolajat a hagyományos (elsődleges) tüzelőanyaghoz. A cégnek a lépcsőzetes elégetés bevezetése, majd továbbfejlesztése révén sikerült az NO x -et redukálni, és ezzel lényegesen csökkentette a nitrózus gázok emisszióját. A kiegészítő (másodlagos) tüzelőanyagok felhasználása megváltoztathatja az égés folyamatát, ami hatással lehet a klinker minőségére, a kemence üzemi viszonyaira, az energiafelhasználásra és az emisszióra. A cég ezért egy egyetemmel közösen kísérleteket végzett a másodlagos

2 tüzelőanyagok viselkedésének vizsgálatára. A kísérletek egy részét üzemi cementgyártó berendezésben, másik részét cirkuláló fluid ágyas laboratóriumi égetőberendezésben végezték. A felhasznált szén (elsődleges tüzelőanyag) és a kiegészítő tüzelőanyagok tulajdonságait az 1. táblázat tartalmazza. A kísérletekben felhasznált tüzelőanyagok néhány tulajdonsága 1. táblázat Jellemző Egység Szén Folyékony Szilárd Éghető szemét liszt Fáradtolaj Nedvesség % 2,8 45,7 10,7 25,0 4,5 0,0 Illékony alkotók % 31,6 46,3 53,0 59,7 100,0 C-tartalom % 45,5 0,0 7,7 10,5 7,5 0,0 Hamutartalom % 20,1 0,0 35,3 11,5 28,3 0,0 Alsó fűtőérték MJ/kg 24,7 17,9 15,7 18,0 15,8 41,6 O/N molarány 2,3 11,9 36,6 34,6 1,6 - Az üzemi kísérletek A kísérletekhez kiválasztott üzemi berendezésen 2001-ben 1,2 M t klinkert gyártottak, és az ebben elégetett anyag 31%-a volt másodlagos tüzelőanyag. A gyártósor égetőberendezése két egységből áll: az előkalcináló kemencéből és a forgó csőkemencéből. Az előkalcináló eleve kis NO x -kibocsátású, KHD Pyroclon R típusú berendezés, amely alkalmas szilárd kiegészítő tüzelőanyag befogadására. A kemence hossza 68 m, átmérője 4,4 m. Névleges teljesítménye 3300 t/d, átlagos hőigénye 3300 kj/kg klinker. Az előmelegítőben a nyomásesés kb. 70 mbar, a hűtő teljesítménye 48 t/d.m 2. A Norvégiában előírt emissziós határértékeket és a berendezés 2000-ben mért emissziós értékeit a 2. táblázat tartalmazza. Az 1 7. kísérletet 2001 februárjában, a kísérletet áprilisban végezték. Az egyes kísérletekben az előkalcinálóba adagolt tüzelőanyagokat a 3 4. táblázat tartalmazza.

3 2. táblázat A Norvégiában előírt emissziós határértékek és a cementgyártó berendezésnél 2000-ben mért értékek Emittált komponens Norvégiai határérték mg/m 3 11% O2 mellett Por ben mért érték mg/m 3 11% O2 mellett Összes szerves szén 10 6,5 Klórvegyületek, HCl-re átszámítva 10 6,6 Fluorvegyület, HF-re átszámítva 1 0,1 SO x, SO 2 -re átszámítva NO x, NO 2 -re átszámítva 707 Összes Cd + Tl 0,1 0,081 Higany 0,1 0,002 Összes többi fém (Sb, As, Pb, Cr, Cu, Mn, Ni, V, Sn) 1,0 1,913 Dioxinok (I-TE, ng/m 3 ) 0,1 0,025 Kísérlet sorszáma 3. táblázat Az előkalcináló kemencébe vezetett tüzelőanyag (t/h) összetétele az üzemi kísérletekben (kísérletek 2001 februárjában) Jellemzők Szén a főégőben Szén a kalcinálóban Folyékony főégőben Szilárd veszé- lyes Éghető szemét kalciná- lóban 1 nincs adalék 4,1 9,9 1,5 0,0 2,9 0,0 0,0 2,5 2 SZVH 3,6 9,0 1,7 3,0 2,5 0,0 0,0 2,6 3 SZVH + 38 kg/h karbamid 3,8 9,7 1,8 3,0 2,0 0,0 0,0 2,2 4 SZVH kg/h karbamid 3,8 8,8 1,8 3,0 2,3 0,0 0,0 2,2 5 SZVH kg/h karbamid 3,6 9,2 1,8 3,0 2,0 0,0 0,0 2,5 6 SZVH kg/h karbamid 3,5 9,0 1,8 3,0 2,0 0,0 0,0 2,7 7 állati liszt 4,2 8,9 1,5 0,0 3,1 2,6 0,0 2,5 SZVH = szilárd Fáradtolaj

4 Kísérlet sorszáma 4. táblázat Az előkalcináló kemencébe vezetett tüzelőanyag összetétele (t/h) az üzemi kísérletekben (kísérletek 2001 áprilisában) Jellemzők Fáradtolaj Szén a kalciná- lóban Folyékony Szilárd Szén a főégőben Éghető szemét kalciná- lóban 8 nincs adalék SZVH SZVH kg/h karbamid SZVH kg/h karbamid SZVH kg/h karbamid állati liszt SZVH SZVH kg/h karbamid SZVH kg/h karbamid SZVH kg/h karbamid 4,1 9,9 1,5 0,0 2,9 0,0 2,0 2,5 SZVH = szilárd főégőben Kiegészítő tüzelőanyag (pl. szilárd ) adagolásakor (1. és 9. kísérlet) annak szénhidrogén-tartalma a következő egyenlet szerint redukálja a nitrózus gázokat: C x H y + NO N 2 + A lépcsőzetes kiégetés módszerét továbbfejlesztve csigás adagolóval karbamidgranulátumot is kevertek a kiegészítő tüzelőanyaghoz, ezáltal a redukciós egyenlet a következőképpen módosult: C x H y + karbamid/nh 3 + NO N 2 + Az 1. és 8. kísérletben nem adagoltak adalékot (kiegészítő tüzelőanyagot) a kalcinálóba, az itt kapott vizsgálati eredmények referencia-

5 értéknek tekinthetők. A kísérletek egy részében azt vizsgálták, hogy az állati liszt hozzájárul-e a NO x redukciójához. A kísérletek során mért NO x - és CO-emisszió az 1. ábrán látható. A csökkenő NO x -emisszió növekedő CO-emisszióval járt. A karbamid adagolása mérsékelte az NO x kibocsátását. Optimális redukció akkor lépett fel, ha a karbamid és a NO molaránya 2,6 3,0 között volt NOx 7000 NO x -emisszió, mg/m 3 (11% O 2 mellett) CO CO-emisszió, mg/m3 (11% O 2 mellett) a kísérlet sorszáma 1. ábra A cementgyártó berendezés NO x - és CO-emissziója az egyes kísérletekben Az állati liszt ugyancsak redukálja a nitrózus gázokat. Az állati lisztben található nitrogén 86%-a szabadul fel a pirolízis során, és pirolízisgázaiban alacsony a HCN/NH 3 arány, ami kedvez a redukciónak. (Kisebb O/N arányú anyagok égésgázaiban kisebb a HCN/NH 3 aránya, márpedig az állati lisztben a többi kiegészítő tüzelőanyaghoz képest kevesebb az oxigén a nitrogénhez képest (lásd az 1. táblázatban). A karbamidtartalmú gázok jelenlétekor megnövekvő CO-koncentráció a következő egyenletek alapján értelmezhető: CO + OH CO 2 + H NH 3 + OH NH 2 + H 2 O.

6 Az utóbbi reakció sebessége tízszer nagyobb az előbbinél, azaz a karbamid oxidációja gátolja a szén-monoxid oxidációját. A laboratóriumi kísérletek A laboratóriumi kísérleteket egy 6 m magas, 100 mm átmérőjű cirkuláló fluid ágyas égetőreaktorban (circulating fluidized bed combustor, CFBC reactor) végezték, amelyben a gáz és a szilárd anyag áramlása, a falközelben és a középen mozgó anyag áramlása, a mikroáramlás szerkezete és a részecskék hatása a turbulenciára hasonló volt, mint az ipari berendezésben. Eltért viszont a turbulencia mértéke, és emiatt a részecskék tartózkodási ideje és a tüzelőanyag részecskéihez irányuló oxigéntranszport sem volt azonos a gyártóberendezés viszonyaival. A kísérletek fő célja az volt, hogy meghatározzák a különböző tüzelőanyagok viselkedését a lépcsőzetes, a továbbfejlesztett lépcsőzetes égetés és a cirkulált anyag nélküli égetés körülményei között. A lépcsőzetes elégetéssel végzett kísérletekben a következő tüzelőanyagokat, ill. tüzelőanyag-keverékeket használták: éghető szemét, állati liszt, szén, szemét/állati liszt, 75/25 %(m/m) szén/állati liszt, 75/25 %(m/m), faszén/állati liszt, 25/75 %(m/m). A reakcióelegyhez 1930 mg/m 3 NO-t vezettek. A tiszta szénnel végzett égetéshez képest a különböző tüzelőanyagok a következő mértékben csökkentették az NO-koncentrációt: szemét/állati liszt 41%, szemét 39,5%, faszén/állati liszt 34,5%, állati liszt 25%, szén/állati liszt 18,3%. A továbbfejlesztett lépcsőzetes égetés vizsgálatakor tüzelőanyagként szemetet vagy szenet használtak; az előbbihez 25, ill. 5%, az utóbbihoz 5% karbamidot kevertek, és mg/nm 3 között négyféle NO-koncentrációval dolgoztak. A gyártóberendezéshez hasonló, 1000

7 mg/m 3 körüli NO betáplálásakor a csökkenés mértéke a következőképpen alakult: szemét + 5% karbamid 60%, szemét + 25% karbamid 50%, szén + 5% karbamid 8%. A nem fluid ágyas cirkulált égetésnél valamennyi kiegészítő tüzelőanyagot kipróbálták, ugyancsak négyféle NO-koncentráció mellett mg/m 3 körüli NO-betáplálás mellett a koncentrációcsökkenés sorrendje karbamidadagolás mellett: állati liszt 45%, szén 18%, szemét 6%. A kísérletek alapján megállapították, hogy növekedő karbamid/ betáplált NO arány mellett csökken az NO x -emisszió. A laboratóriumi mérésekben az optimum 8 10, a gyártóberendezésben 2,6 3,0 molaránynál mutatkozott. Összeállította: Pál Károlyné dr. Axelsen, E. P.; Tokheim, L. A.; Bjerketvedz, D.: Untersuchungen der NO x -Reduktion bei der Verbrennung von Sekundärbrennstoffen. = ZKG International, 56. k. 4. sz p New York State Department Environmental Conservation Rules and Regulations, Part 220: Portland Cement Plants. = www. dec.state.ny.us/website/regs/220.htm, okt. 30. Wanzura, F.; Wendt, B.: Einfluss des Sekundärstoff-Einsatzes auf die Schwermetall- Gehalte in PZ-Klinkern und Zementen. = ZKG International, 56. k. 10. sz p