Usuwanie SO2 i NOX przy użyciu wiązki elektronów jako obiecująca technologia proekologiczna

Technologia oczyszczania spalin przy użyciu wiązki elektronów należy do najbardziej obiecujących technologii proekologicznych.
Zanieczyszczenia nieorganiczne (SO2 i NOX) ulegają utlenieniu pod wpływem wiązki elektronów,a następnie w reakcji z parą wodną i amoniakiem tworzą odpowiednie sole amonowe.
Jednocześnie pod wpływem wiązki elektronów ulegają rozkładowi lotne zanieczyszczenia organiczne.
Podczas wielu procesów technologicznych związanych ze spalaniem do atmosfery emitowane są różnego rodzaju zanieczyszczenia. Wśród nich najważniejszymi są tlenki siarki i azotu, emitowane zwłaszcza podczas spalania paliw kopalnych w energetyce i hutnictwie. Usunięcie tych zanieczyszczeń metodami konwencjonalnymi wymaga stosowania skomplikowanych instalacji łączących różne metody usuwania zanieczyszczeń. Najczęściej do usuwania zanieczyszczeń nieorganicznych stosowana jest kombinacja metody mokrej wapniakowej w celu odsiarczania i selektywnej redukcji katalitycznej do usuwania tlenków azotu. Zanieczyszczenia organiczne z kolei usuwa się metodą dopalania termicznego bądź katalitycznego. Wszystkie te technologie są skomplikowanymi procesami chemicznymi związanymi z powstawaniem odpadów (gipsu, ścieków, zużytego katalizatora), jak również kosztownymi (koszt surowców, energii, obsługi i miejsca). Dlatego też na świecie prowadzi się prace związane z opracowaniem technologii do jednoczesnego usuwania tych zanieczyszczeń. Pomimo licznych badań w skali laboratoryjnej i pilotowej, w chwili obecnej tylko jedna technologia została wdrożona w skali przemysłowej.
Technologia radiacyjna pozwalająca na jednoczesne usuwanie SO2, NOx w tym samym procesie umożliwia obniżenie kosztów inwestycyjnych i eksploatacyjnych przy porównywalnym stopniu oczyszczenia spalin, a dzięki rolniczemu zastosowaniu produktu ubocznego procesu rozwiązuje problem odpadów. Dodatkową zaletą jest to, iż podczas usuwania tlenków siarki i azotu ze spalin zostają również usunięte inne zanieczyszczenia, takie jak lotne związki organiczne, dioksyny, zanieczyszczenia kwaśne (HCl, HF, SO3) i inne.
Idea oczyszczania spalin metodą radiacyjną powstała w Japonii w latach 60. Dalsze prace, oprócz Japonii, prowadzone były w wiodących ośrodkach badawczych na świecie, m.in. w Niemczech, USA i oczywiście w naszym kraju, gdzie rozwojem tej technologii zajmował się Instytut Chemii i Techniki Jądrowej z Warszawy. Po serii badań laboratoryjnych i pilotowych technologia została wdrożona w skali przemysłowej na terenie Elektrowni Pomorzany w Szczecinie, należącej do Zespołu Elektrowni Dolna Odra. Należy zaznaczyć, że jest to pierwszy tego typu obiekt na świecie (instalacje budowane w Chinach były projektowane z marginalnym usunięciem NOx), co ma szczególne znaczenie ze względu na doświadczenia eksploatacyjne w przemyśle.
Istotą oczyszczania spalin z tlenków siarki i azotu jest utlenienie SO2 i NO odpowiednio do SO3 i NO2, a następnie w reakcji z parą wodną i amoniakiem wytworzenie aerozolu siarczanu i azotanu amonu, który może być wydzielony w tradycyjnym odpylaczu i zużyty jako nawóz sztuczny. Akceleratory zainstalowane w komorach reakcyjnych mają za zadanie dostarczenie energii niezbędnej do przebiegu procesu. Proces składa się z czterech głównych etapów realizowanych w wyróżnionych węzłach instalacji:
1.Kondycjonowanie gazów spalinowych
2.Przygotowanie i dozowanie reagenta - amoniaku
3.Układ reakcyjny
4.Odbiór i magazynowanie produktu ubocznego.

Strumień spalin przed wejściem do instalacji jest wstępnie odpylany w celu usunięcia stałych zanieczyszczeń, które mogłyby osadzać się w instalacji i powodować pogorszenie jakości produktu. Następnie kierowany jest do wieży nawilżania spalin, gdzie przez wymianę ciepła i masy z rozpylonymi kroplami wody następuje jego ochłodzenie poniżej 80°C i nawilżenie do ponad 12% obj. Przepływ mediów następuje we współprądzie. W przypadku zbyt małej wilgotności wlotowej spalin możliwa jest regulacja wilgotności na wylocie z wieży nawilżania poprzez dodatek pary.
Amoniak będący głównym reagentem procesu jest składowany w postaci wody amoniakalnej i może być dozowany w dwojaki sposób:
1.Bezpośrednio przed komorą reakcyjną w postaci gazowej po oddestylowaniu w kolumnie rektyfikacyjnej (wariant I)
2.W postaci wody amoniakalnej do kolumny nawilżania spalin (wariant II).
Ze względów praktycznych możliwe jest również połączenie obu sposobów w tzw. wariant mieszany.
Po dodaniu amoniaku spaliny wprowadzane są do komory reakcyjnej, gdzie następuje ich napromienienie wiązką elektronów. W komorze reakcyjnej następuje utlenienie zanieczyszczeń nieorganicznych i utworzenie odpowiednich soli amonowych oraz rozkład lotnych zanieczyszczeń organicznych. Powstający produkt uboczny jest odbierany w elektrofiltrze i magazynowany w celu przekazania odbiorcy. Produkt można stosować jako nawóz sztuczny samodzielnie, bądź w postaci mieszanek typu NPK. Otrzymywany produkt w postaci mieszaniny siarczanu i azotanu amonu spełnia wszystkie normy przewidziane dla tego typu nawozów.

Bardzo istotną cechą instalacji oczyszczania spalin metodą radiacyjną jest jej bardzo duża elastyczność. Dotychczasowa eksploatacja była prowadzona w zakresie przepływów od 100 do 270 tys. Nm3/h. Taki zakres jest niespotykany w instalacjach konwencjonalnych.
Maksymalna sprawność instalacji dochodzi do 95% w przypadku SO2 i 70% w przypadku NOx. W idealnych warunkach obserwowano nawet wyższe efektywności usuwania zanieczyszczeń (odpowiednio do 98 i 78%), jednak na ogół praca instalacji optymalizowana jest do bieżących potrzeb wynikających z norm emisji i utrzymywane są niższe wartości. Należy stwierdzić, że stopień odsiarczenia w instalacjach mokrych jest rzędu 95 do 98%, zaś stopień usunięcia NOx w instalacjach SCR dochodzi do 70 - 80%. Z kolei w przypadku stosowania drugiej metody usuwania tlenków azotu - metody redukcji niekatalitycznej (SNCR) - jej sprawność jest jedynie około 50-procentowa. Produkt uboczny powstający w procesie oczyszczania spalin jest cennym nawozem sztucznym zawierającym dwa główne składniki odżywcze dla roślin - azot i siarkę. Wobec obserwowanego ostatnio deficytu siarki w glebie obecność łatwo przyswajalnej siarki w nawozie podwyższa jego wartość. Produkt zawiera azot całkowity w ilości 24 - 27%, w tym około 20% azotu amonowego. Są to parametry zgodne z normą dla tego typu nawozów. Wynika z tego, że produkt uboczny może być stosowany w celach nawozowych samodzielnie, lub jako substrat do tworzenia mieszanek nawozowych.
Całkowita ilość powstającego produktu ubocznego jest odbierana przez producenta nawozów sztucznych jako dobrej jakości komponent i wykorzystywana do produkcji mieszanek typu NPKS.

Koszty zarówno inwestycyjne, jak i eksploatacyjne są porównywalne z kosztami tanich konwencjonalnych instalacji odsiarczania spalin. Należy jednak zauważyć, że usunięciu ulegają oba główne zanieczyszczenia (jak wykazały dalsze badania metoda ta może Rys. 1. Schemat instalacji w Elektrowni Pomorzany. znaleźć zastosowanie również do usuwania lotnych zanieczyszczeń organicznych). W przypadku zastosowania metody radiacyjnej do odsiarczania wymagane są mniejsze dawki promieniowania, co znacznie obniża koszty eksploatacji instalacji. Przy rolniczym wykorzystaniu produktu ubocznego oczyszczania spalin nie występuje problem składowania odpadów i kosztów z tym związanych, co jest niezwykle istotne w przypadku metod mokrych, zaś jego sprzedaż pozwala obniżyć całkowite koszty eksploatacji instalacji. Technologia oczyszczania spalin metodą radiacyjną znalazła zastosowanie w energetyce, gdzie w Elektrowni Pomorzany w Szczecinie została uruchomiona i przetestowana instalacja przemysłowo-demonstracyjna. Dotychczasowa jej eksploatacja potwierdziła przydatność tej technologii do zastosowań w skali przemysłowej.

Do największych zalet instalacji należą:
1.Wysoka skuteczność usuwania zanieczyszczeń porównywalna ze skutecznością instalacji konwencjonalnych. Maksymalna skuteczność wynosi co najmniej 95% usunięcia SO2 i 70% usunięcia NOx.
2.Jednoczesne usuwanie tlenków siarki i azotu ze spalin. Dodatkowo zostało udowodnione, że w tym procesie można usuwać także inne zanieczyszczenia (HCl, VOC, dioksyny), co umożliwia jego zastosowanie również w innych dziedzinach przemysłu wykorzystujących procesy spalania.
3.Wysoka elastyczność pracy instalacji w odniesieniu do zmian warunków prowadzenia procesu, a zwłaszcza natężenia strumienia spalin. Instalacja może pracować w zakresie od 100 do 270 tys. Nm3
4.Prostota konstrukcji, co wraz ze stosunkowo niewielkim zapotrzebowaniem przestrzeni ułatwia budowę w obiektach modernizowanych oraz upraszcza obsługę i automatyzację instalacji.
5.Brak odpadów. Przy rolniczym wykorzystaniu produktu ubocznego podczas pracy instalacji nie powstają żadne odpady stałe lub ciekłe wymagające zagospodarowania. Nie powstają więc żadne dodatkowe koszty z tego tytułu, a nawet dzięki sprzedaży produktu ubocznego całkowity koszt działania instalacji zostaje obniżony.
6.Proces jest suchy i w odróżnieniu od metod mokrych spaliny po oczyszczaniu mają temperaturę powyżej punktu rosy. Dzięki temu problem korozji komina zostaje znacznie zredukowany.
7.Koszty zarówno inwestycyjne, jak i eksploatacyjne są konkurencyjne w stosunku do konwencjonalnych metod odsiarczania i odazotowania spalin. Przewiduje się wydatną redukcję kosztów wraz z dalszym rozwojem technologii.
Powyższe zalety sprawiają, że metoda radiacyjna oczyszczania spalin jest rozwiązaniem konkurencyjnym dla metod konwencjonalnych zarówno z punktu widzenia technologicznego, jak i ekonomicznego. Prowadzone badania wskazują na możliwość zastosowania do oczyszczania spalin z szeroko rozumianych procesów spalania. Doświadczenie zdobyte podczas budowy i eksploatacji demonstracyjno- -przemysłowej instalacji oczyszczania spalin w Elektrowni Pomorzany pozwoli na udoskonalenie kolejnych tego typu obiektów.