W wielu procesach przemysłowych powstają ścieki, ich usunięcie to jeden z poważniejszych problemów eksploatacyjnych między innymi w elektrowniach, elektrociepłowniach oraz ciepłowniach. Wśród różnych nowych rodzajów ścieków takich jak np. koncentraty z układów stosujących membranowe techniki oczyszczania wody, czy ścieki z mycia membran (CIP), na uwagę zasługują ścieki z instalacji mokrego odsiarczania spalin (IMOS). Dotychczas większość ścieków w elektrowniach czy też w elektrociepłowniach była zagospodarowywana w ramach hydrotransportu na składowiska popiołu, co nie sprzyjało rozwojowi zaawansowanych technik oczyszczania ścieków przemysłowych.
Ścieki powstające w IMOS charakteryzuje wysoka zawartość chlorków, siarczanów, metali ciężkich, zawiesin (głównie gipsu), związków azotowych, a ponadto zawierają one duży ładunek substancji organicznych. Pod uwagę należy także wziąć fakt, że ścieki z elektrowni opalanych węglem kamiennym różnią się znacząco od ścieków z elektrowni opalanych węglem brunatnym. Ścieki w pierwszym przypadku zawierają dużą ilość chlorków, a w drugim siarczanów. Jakkolwiek ilość tych ścieków jest stosunkowo mała to ich wpływ na bilans jakościowy całości strumienia ścieków przemysłowych powstających na terenie konkretnego obiektu może być duży i często decydujący o możliwości zrzutu ścieków. Stan ścieków i wód odpadowych regulowany aktualnie jest aktami prawnymi [1, 2]. W elektrowniach starszego typu oczyszczalnia ścieków wyposażona jest w zbiornik ścieków surowych, dwustopniowy układ reakcyjno-sedymentacyjny oraz węzeł korekty pH. Ten system pozwala jedynie na usunięcie zawiesin metali ciężkich oraz korektę pH. Nowszego typu instalacje oczyszczania ścieków z IMOS pomimo znacznie bardziej rozbudowanego systemu oczyszczania (np. z dwoma stopniami strącania zanieczyszczeń i możliwością schłodzenia) nadal nie zapewniają usuwania ze ścieków związków azotu, nadmiaru substancji organicznych oraz nadmiaru chlorków i siarczanów. Często stężenie dobrze rozpuszczalnych soli nawet wzrasta na skutek wprowadzenia do ścieków potrzebnych chemikaliów. Istniejące oczyszczalnie ścieków z IMOS nie są zatem w stanie spełnić wszystkich wymagań stawianych ściekom oczyszczonym przez przepisy krajowe [1] i konkluzje BAT [2]. Tak więc w celu uzyskania wymaganych poziomów zanieczyszczeń ścieków odprowadzanych do środowiska należało by rozbudować już istniejące instalacje oczyszczania ścieków o kosztowne układy wykorzystujące techniki membranowe, odwróconą osmozę elektrodializę lub wyparki, często z dodatkowym układem krystalizacji półproduktu [3 – 6]. Jednak budowa kolejnych węzłów oczyszczania skutkować będzie powstawaniem nowych odpadów – stałych i ciekłych, które trzeba będzie utylizować
Proponowane rozwiązanie
Na podstawie analizy stanu techniki i doświadczeń własnych [7, 8] opracowano rozwiązanie polegającego na wtrysku wstępnie oczyszczonych (z zanieczyszczeń mechanicznych) ścieków do kanału spalin przed elektrofiltrem w celu ich odparowania. Wtrysk ścieków odbywa się za pomocą lanc wtryskowych z systemem dysz dwuczynnikowych w odpowiednio wybranym odcinku kanału spalin. Schemat ideowy instalacji wtrysku ścieków do kanału spalin przed elektrofiltrem przedstawiono na rys. 1.
Rys. 1. Schemat instalacji do wtrysku ścieków z dodatkiem utleniacza do kanału spalin przed elektrofiltrem.
Proponowane rozwiązanie jest przede wszystkim przeznaczone do zastosowania w istniejących blokach energetycznych i jednostkach ciepłowniczych, które posiadają instalacje mokrego odsiarczania spalin. Jest to rozwiązanie, które nie ingeruje w instalację kotłową ani w istniejące instalacje oczyszczania spalin, a ponadto może być również eksploatowane jako instalacja do ograniczania emisji Hg. W takim przypadku do ścieków dodatkowo wprowadzona zostaje odpowiednia dawka selektywnego utleniacza rtęci metalicznej obecnej w spalinach kotłowych. Rozwiązanie polegające na wprowadzeniu utleniacza jest przedmiotem patentu autorów [9]. Zjawiska przebiegające w kanale spalin przed odpylaczem w miejscu wtrysku wpływają na tworzenie się aglomeratów cząsteczek pyłu zawartych w spalinach, a także na tworzenie cząstek pyłu pokrytych powierzchniowo warstewką soli związków zawartych w ściekach. W efekcie następuje odparowanie wody, a powstałe stałe produkty wytrącane zostają w odpylaczu i wraz z głównym strumieniem pyłu usuwane są z niego, a następnie trafiają do systemu zagospodarowania wytrąconych popiołów.
Wyniki testów przemysłowych wtrysku ścieków przed elektrofiltrem
Testy wtrysku ścieków do kanału spalin przed elektrofiltrem prowadzone były na obiekcie przemysłowym wyposażonym w kocioł OP-650 opalany węglem kamiennym i biomasą (do 10%). Ścieki do badań pochodziły z instalacji odsiarczania spalin metodą mokrą (IMOS), która oczyszcza od 500 tys. do 1 600 tys. m3/h spalin wilgotnych w warunkach umownych, o temperaturze 120-140C. Ścieki powstające w procesie odsiarczania są kierowane były do instalacji oczyszczania ścieków gdzie ich oczyszczanie przebiegało w następujących etapach:
- neutralizacja i wytrącanie metali ciężkich,
- flokulacja i separacja cząstek stałych,
- odwadnianie wytrąconego osadu.
Tak oczyszczone ścieki miały pH=8,5 i zawierały jeszcze znaczne ilości chlorków – około 30 000 mg/dm3, siarczanów – około 2 000 mg/dm3 oraz związków rtęci i innych metali ciężkich i nie spełniały norm ustawowych zgodnie z RMGMiŻŚ [1]. Zakres zmienności parametrów wtryskiwanych ścieków do spalin w trakcie testów przedstawiono w tabeli 1.
W celu umożliwienia okresowej eliminacji tych ścieków RAFAKO zaprojektowało i wybudowało instalację wtrysku na dwóch poziomych kanałach przed elektrofiltrem. Układ wtrysku to umieszczone w każdym z dwóch kanałów spalin lance (2 sztuki/kanał), każda wyposażona w 12 dysz dwuczynnikowych. Powietrze służące do wtrysku ścieków jest podgrzewane nagrzewnicą kanałową. Na rys. 2 pokazano rozmieszczenie lanc i dysz wtryskowych
Rys. 2. Lance wtryskowe zamontowane w kanale spalin (a) i próba działania lanc (b)
Wyniki testów
W trakcie testów podawano około 1,2-2,5 m3/h ścieków do jednego z kanałów (lewego lub prawego) przed elektrofiltrem. Temperatura spalin w przekroju pomiarowym na wlocie do elektrofiltru w trakcie wtrysku nie ulegała zmianie, a elektrofiltr pracował bez zakłóceń.
Przed i w trakcie wtrysku pobrano próbki popiołu lotnego w celu określenia składu ziarnowego, rezystywności i składu chemicznego. Na rys. 3 pokazano wyniki analizy składu ziarnowego próbek popiołów pobranych z lejów zbiorczych pierwszych stref, przy dozowaniu ścieków do kanału spalin przed elektrofiltrem i bez wtrysku.
Rys. 3. Skład ziarnowy popiołu lotnego z elektrofiltru za kotłem OP-650 pierwsza strefa odpylania
Charakterystyki pyłów na rys. 3 wskazują, że wtrysk ścieków do kanału spalin przed elektrofiltrem wpływa na skład ziarnowy popiołu wytrąconego w elektrofiltrze i popiół wytrącony w 1-szej strefie elektrofiltru po zastosowaniu wtrysku ścieków ma skład ziarnowy przesunięty w kierunku grubszych ziaren. W trakcie wtrysku ścieków wykonano pomiary skuteczności odpylania,(moc bloku od 140 do 200 MW) a uzyskane wyniki pokazały, że elektrofiltr pracował ze skutecznością powyżej 99%. Skład pierwiastkowy próbek popiołów wykonano metodą fluorescencji rentgenowskiej a przeprowadzona analiza nie wykazała istotnych różnic w składzie chemicznym popiołów z wtryskiem i bez wtrysku ścieków. Z kolei badania próbek pyłu wykonane za pomocą mikroskopu skaningowego metodą spektrofotometryczną wykazały wzrost zawartości Cl w wyniku dozowania ścieków, co niewątpliwie wiąże się z dużą zawartością tego pierwiastka we wtryskiwanych ściekach.
W kolejnym etapie prac badawczych na tym samym obiekcie przemysłowym wybudowano autonomiczną instalację do przygotowania i wtrysku wybranego addytywu utleniającego rtęć metaliczną zawartą w spalinach, przy użyciu istniejących lanc wtryskowych (rys. 2). Ograniczenie emisji rtęci następuje w tym przypadku przez jej związanie na cząstkach popiołu lotnego i usunięcie w elektrofiltrze. Wyniki przeprowadzonych pomiarów wskazują na około 10% wzrost skuteczności ograniczania emisji rtęci w warunkach w jakich prowadzono testy. Doświadczenia autorów wskazują na możliwość znacznie skuteczniejszego ograniczania emisji rtęci przy wykorzystaniu procesów mających miejsce w absorberze IMOS [9, 10].
Podsumowanie
Rosnący problem związany z zaostrzaniem wymagań odnośnie do czystości ścieków odprowadzanych z działalności przemysłowych, w tym w szczególności z elektrowni i innych zakładów energetycznych powoduje konieczność poszukiwania innowacyjnych i tanich rozwiązań. Do tej grupy należy zaproponowane rozwiązanie w postaci instalacji wtrysku ścieków do spalin przed elektrofiltrem. Zapewnia ono jednoczesną eliminację strumienia ścieków, poprawia pracę odpylacza i dodatkowo może być wykorzystane do ograniczenie emisji rtęci co zostało potwierdzone w warunkach przemysłowych.
Jakkolwiek niewątpliwy potencjał proponowanego rozwiązania został potwierdzony to dobór parametrów pracy instalacji wymaga każdorazowo indywidualnego podejścia z uwzględnieniem aktualnych parametrów ścieków i spalin co wiąże się z opracowaniem algorytmu sterowania pracą dysz wtryskowych. W celu oceny możliwych do zastosowania wariantów rozwiązań konstrukcyjnych w danych warunkach pracy obiektu zbudowano przewoźną instalację demonstracyjną przedstawioną na rys. 4.
Parametry pracy instalacji:
- ciśnienie cieczy: 4-9 bar,
- strumień cieczy: 0,5-5,0 m3/h,
- ciśnienie powietrza 3-6 bar,
- strumień powietrza: 100-200 m3/h,
Rys. 4. Przewoźna instalacja do wtrysku ścieków, ścieków i addytywów utleniających
Zabudowa instalacji nie wymaga istotnych zmian w istniejącej infrastrukturze, często możliwe jest wykorzystanie istniejących kanałów spalin przed elektrofiltrem.
Literatura
[1] Rozporządzenie Ministra Gospodarki Morskiej i Żeglugi Śródlądowej z dnia 12 lipca 2019 r. w sprawie substancji szczególnie szkodliwych dla środowiska wodnego oraz warunków, jakie należy spełnić przy wprowadzaniu do wód lub do ziemi ścieków, a także przy odprowadzaniu wód opadowych lub roztopowych do wód lub do urządzeń wodnych.
[2] Konkluzje BAT dotyczące dużych instalacji spalania wyszczególnionych w załączniku 1 do Dyrektywy Parlamentu Europejskiego i Rady Europy nr 2010/75/EU z dnia 24 listopada 2010 r. Data publikacji 17 sierpnia 2017.
[3] M. Shuangchen et al. / Renewable and Sustainable Energy Reviews 58 (2016) 1143–1151.
[4] H. Hill, M. Heerman, Zero Liquid Discharge Effluent Guidelines Compliance Strategies for Coal-Fired Power Plants’ FGD Wastewater, Power-Gen International December 7-11, 2014.
[5] T. Tong, M. Elimelech, The Global Rise of Zero Liquid Discharge for Wastewater Management: Drivers, Technologies, and Future Directions, Environ. Sci. Technol. 2016, 50, 6846−6855.
[6] Gao Y., Chen Z. S., The new zero discharge of desulfurization wastewater treatment options. HuadianTechnol 2008; 30(4): 73–5.
[7] Jędrusik M., Świerczok A., Głomba M., Mazurek J., Halfar P., Kamiński B.: Wtrysk oczyszczonych ścieków a praca elektrofiltru. Energetyka Cieplna i Zawodowa. 2013, nr 9, s. 50-54,
[8] M. A. Gostomczyk, M. Jędrusik, A. Świerczok, R. Krzyżyńska, J. Mazurek, P. Halfar: Patent Polska, nr 231036. Sposób redukcji emisji rtęci z kotłów spalających węgiel.
[9] M. A. Gostomczyk, M. Jędrusik, A. Świerczok, D. Łuszkiewicz, M. Kobylańska-Pawlisz, Patent Polska nr 420709: Sposób usuwania rtęci i tlenków azotu ze spalin powstających w elektrowniach węglowych.
[10] Jędrusik M., et al., Niskonakładowa technologia ograniczania emisji rtęci ze spalania węgla, Energetyka Cieplna i Zawodowa, 1, 20-24, 2019.
Autorzy i dane kontaktowe:
prof. dr hab. inż. Maria Jędrusik, maria.jedrusik@pwr.edu.pl, tel. 71 320 36 35
dr hab. inż. Arkadiusz Świerczok, prof. uczelni, arkadiusz.swierczok@pwr.edu.pl, tel. 71 320 39 18
