A Lengyelországban bányászott lignitek alkalmazása újraégető tüzelőanyagként

Átírás

1 ENERGIATERMELÉS, -ÁTALAKÍTÁS, -SZÁLLÍTÁS ÉS -SZOLGÁLTATÁS A Lengyelországban bányászott lignitek alkalmazása újraégető tüzelőanyagként Tárgyszavak: NO x -emisszió csökkentése; újraégetés; lignit; elszenesített lignit; kalciumtartalom; részecskeméret. A porított széntüzelésű kazánok jelentős NO x -emisszió-források, ezért a legtöbb országban ezen kazánok emissziójának határértékét és ellenőrzését törvényileg szabályozzák. Az NO x -emissziók csökkentésének hatékony és olcsó módja az égetési technológia módosítása. Ennek egyik lehetősége az ún. újraégető technológia alkalmazása, amely három lépcsőből áll: az elsődleges égetési zóna (a szén elégetése) az újraégető zóna (további hozzáadott tüzelőanyag elégetése az NO x vegyületek mennyiségének csökkentése érdekében) a kiégetési zóna (a CO és a szén elégetése). Az újraégetés során hozzáadott tüzelőanyagként földgázt, olajat, porított szenet és biomasszát alkalmaznak. A széntüzelésű kazánokban a leggazdaságosabban alkalmazható újraégető tüzelőanyag a porított szén. Lengyelországban a villamosenergia-termelés során a leggyakrabban használt tüzelőanyag a lignit, amelyből évente erre a célra 66 M t kerül elégetésre. E cikk célja a lengyel lignit újraégető tüzelőanyagként való alkalmazási lehetőségének és hatékonyságának a vizsgálata. Megállapították, hogy a lignitfelhasználás hatékonysága összefüggést mutatott a lignit kalcium- és illóanyag-tartalmával. Az elszenesített lignit kevésbé hatékony újraégető tüzelőanyag, mint a lignit. Kísérletek A vizsgálatok során 1,8 m hosszú,,5 m belső átmérőjű, elektromosan fűtött csőkemencét alkalmaztak. A füstgázt földgáz elégetésével állították elő, a földgáz/levegő arány SR 1 1,1 volt a kemence tetején. A sztöchiometriai arányt az újraégető zónában (SR 2 ) a lignitbetáplálás sebessége, a gázfázisú reagensek áramlási sebessége (1,2 kg/h) és a füstgáz oxigénkoncentrációja

2 (2%) alapján határozták meg. Az 5 ppm NO koncentráció biztosítása érdekében a füstgázt nitrogénnel hígított NO-val dúsították. A nyers lignitet megőrölték, szárították és szitálták. Három méret szerinti frakciót 16 1 µm, 1 µm és < µm készítettek. A kemence tetején,2 1 g/perc sebességgel nitrogénárammal porított szenet fújtak be a füstgázba. C hőmérsékletű szekunder levegőt tápláltak be a kemence alján a CO elégetése érdekében. A porított szén tartózkodási ideje az újraégetési zónában,7,8 másodperc volt. Az újraégetést 1 C-on hajtották végre. Az NO, O 2 és a CO koncentrációkat elektrokémiai elven működő on-line elemzővel, a CO 2 koncentrációt infravörös gázelemzővel mérték. Az NO áramlási sebességét elektronikus áramlásmérővel, az egyéb anyagok áramlási sebességét rotaméterrel ellenőrizték. A hőmérsékletet a kemence aljától 3 cmre NiCr-Ni termoelempárral mérték. Az alkalmazott szén és a lignit tulajdonságai A vizsgálatok során alkalmazott lengyel szén tulajdonságai az 1. táblázatban kerültek összefoglalásra. A szenet porított lignit elégetésével csöves kemencében nitrogénáramban 75 C-on állították elő. A szén tulajdonságait a 2. táblázat foglalja össze. A vizsgálatok során alkalmazott lignitek jellemzői 1. táblázat A szén kitermelési helye Bełchatów Koźmin nedvesség 11,6 7, 14,5 13,2 Gyors elemzés (%(m/m), száraz súly) hamu illó- szén fűtőérték anyag (kj/kg) 17,8 1,9 8,5 12,7 47,4 52,3 55,2 5,1 34,8 36,8 36,3 37, Elemanalízis (%(m/m)) C H N S 69,8 56,3 64,8 66,2 7, 5,9 7,2 7,2,9,3,9 1, 1,5,8,8,6 A lignitből előállított szén elemanalízise 2. táblázat A szén kitermelési helye Bełchatów Koźmin Elemanalízis (%(m/m)) C H N CaO 85,9 87,5 91,9 84,4 3, 3, 4, 3,5 1,5 1,4 1,4 1,4 39,3 1,5 33,8 29,3

3 A kapott eredmények ismertetése A vizsgálatok során használt lignitek hasonló kémiai szerkezete miatt csak a bányából kitermelt lignit esetében vizsgálták a részecskeméretnek és az újraégetés sztöchiometriai viszonyainak a hatását az NOmennyiség csökkentésének hatásfokára (η). Az NO-mennyiségcsökkenés hatásfokának (η) alakulása az újraégető zóna sztöchiometriai viszonyainak a függvényében a három méretfrakció esetén az 1. ábrán látható. A hatásfok 6 % volt SR 2 =,75,9 sztöchiometriai arány esetén. A porított lignit részecskeméretének hatása nem volt döntő jelentőségű µm 2 1+ µm < µm,6,7,,9 1, 1,1 1. ábra Az NO-csökkentés hatásfoka a -ban bányászott lignit esetében az SR 2 arány függvényében Az NO-csökkenés hatásfokának összehasonlítását a négy bányából kitermelt lignit esetében az újraégetés paramétereinek és az újraégető tüzelőanyag változtatásával hajtották végre. A 2. ábrán az η SR 2 összefüggés került bemutatásra, 1 C-on 16 1 µm részecskeméret mellett. A porított lignit alkalmazása esetén fellépő NO-csökkenés homo- és heterogén hatásainak az elválasztása érdekében vizsgálatokat végeztek elszenesített lignittel. A kapott eredményeket a 3. ábra szemlélteti (a vizsgálat hőmérséklete 1 C, részecske méret 16 1 µm volt).

4 1 méretfrakció: 6 1 µm Belchatów 6 2 Kozmin,7,,9 1, 1,1 2. ábra Az NO-csökkentés hatásfoka a négy bányából kitermelt lignitfajták esetében az SR 2 arány függvényében 1 méretfrakció: 16 1 µm 6 2 elszenesített lignit Belchatów Kozmin,6,7,,9 1, 3. ábra Az NO-csökkentés hatásfoka a lignitekből előállított szén esetében az SR 2 arány függvényében

5 A vizsgálati eredmények értékelése A laboratóriumban végrehajtott vizsgálatok eredménye szerint a lengyel porított lignit az újraégetés során jól alkalmazható tüzelőanyag, ugyanakkor a lignitből készült szén kevésbé hatékony. Ennek oka, hogy a szén nitrogéntartalma jelentős mértékben hozzájárul az együttes NO emisszióhoz. Más vizsgálatokkal összehasonlítva a tartózkodási idő jelen esetben 3 4-szer nagyobb volt, a részecskeméret kisebb volt (a szén részecskemérete 16 1 µm), és volt egy kiégető zóna is. Ennek eredményeként a szénrészecskék csaknem teljesen elégtek. Figyelembe véve a szén nitrogéntartalmát és a füstgáz áramlási sebességét, a szén kiégése miatt az NO koncentráció 25 ppm értékre is nőhet. Hogy figyelembe vegyék a lignit illóanyag-tartalmának a hatását az NO mennyiségének a csökkenésére, kísérleteket végeztek a turoszów-i bányából származó, részlegesen kiégetett lignittel. A kapott eredmények szerint a nagyobb illóanyag-tartalmú lignitek jobb újraégető tüzelőanyagok (4. ábra). méretfrakció: 16 1 µm kitermelt lignit 17% elszenesített lignit 25% elszenesített lignit 3% elszenesített lignit 45% elszenesített lignit,6,7,,9 1, 1,1 4. ábra Az NO-csökkentés hatásfoka a -ban bányászott lignit esetében az SR 2 arány függvényében Jelentős különbséget tapasztaltak az NO-csökkenés hatásfokában a lignit kitermelési helyének függvényében. A lengyel lignitek, mint újraégető tüzelőanyagok hatásfok szerinti rangsora az alábbi: Belchatów> Koźmin>

6 Az η értéke kevésbé változott, ha lignitből előállított szenet használtak lignit helyett, a rangsor azonban ekkor is azonos volt a lignitre megállapított rangsorral (3. ábra). A lignit újraégető tüzelőanyagként való alkalmazhatósága a Ca-tartalom függvénye. A kálcium ugyanis katalitikusan aktív a szén NO-tartalmának csökkentésében és az N 2 képződés elősegítésében. A folyamat a lignitben található heterociklusos nitrogén szilárd fázisú reakciójában zajlik. Ezért az NO-csökkentés hatásfoka nőtt a lignit Ca-tartalmának növekedésével. A kis Ca-tartalmú turoszówi szén volt a legkevésbé hatásos újraégető tüzelőanyag (2. és 3. ábrák). (Regősné Knoska Judit) Hardy, T.; Kordylewski, W.: Effectiveness of Polish lignites as reburn fuels. = Fuel, 81. k. 6. sz. 22. ápr. p Wang, F.; Wang, X. J. stb.: The research on the estimation for the NO x emissive concentration of the pulverized coal boiler by the flame image processing technique. = Fuel, 81. k. 16. sz. 22. nov. p