SADRŢAJ 1 Uvod ................................................................................................................................. 3 2 Osnovni podaci o uglju i sastav uglja ................................................................................ 5 2.1
Osnovni podaci o uglju ........................................................................................... 5
2.2
Ugalj kao gorivo ...................................................................................................... 6
2.3
Osobine i sastav uglja kao goriva ........................................................................... 8
2.4
Komponente uglja................................................................................................. 10
2.4.1
Ugljenik .......................................................................................................... 10
2.4.2
Vodonik .......................................................................................................... 11
2.4.3
Sumpor .......................................................................................................... 11
2.4.4
Azot ................................................................................................................ 11
2.4.5
Kiseonik ......................................................................................................... 12
2.4.6
Isparljive materije ........................................................................................... 12
2.4.7
Vlaga .............................................................................................................. 12
2.4.8
Mineralne materije – pepeo............................................................................ 13
2.4.9
Toplotna moć ................................................................................................. 14
2.5
2.5.1
Trakt „voda – para“ ........................................................................................ 15
2.5.2
Trakt „ugalj – dimni gasovi i šljaka“ ................................................................ 16
2.5.3
Gubici u termoelektrani .................................................................................. 17
2.5.4
Kotlovsko postrojenje ..................................................................................... 17
2.6
4
Ugalj u Republici Srbiji.......................................................................................... 18
2.6.1
Kostolaĉki basen ............................................................................................ 19
2.6.2
Kolubarski basen ........................................................................................... 21
2.7 3
Termoelektrane na ugalj ....................................................................................... 15
Postojeće termoelektrane na ugalj u Republici Srbiji ............................................ 23
Mehanizam i kinetika sagorevanja uglja u termoelektranama .................................... 25 3.1
Vremenski tok procesa sagorevanja ugljene ĉestice ............................................ 27
3.2
Proraĉunavanje procesa pri sagorevanju ĉvrstih goriva ....................................... 29
3.3
Opis proraĉuna ..................................................................................................... 30
Matematiĉki model i proraĉun nastanka štetnih gasova sagorevanjem uglja ............. 33 1
4.1
Glavni deo proraĉuna ........................................................................................... 34
4.2
UtvrĊivanje temperature u loţištu i nivoa emisije NOX .......................................... 37
4.3
OdreĊivanje koncentracije letećeg pepela ............................................................ 39
4.4
Rekapitulacija rezultata proraĉuna ....................................................................... 42
5 PoreĊenje matematiĉke metode proraĉuna sa izmerenim vrednostima sastava produkata sagorevanja ...................................................................................................... 45 5.1
PoreĊenje 1 .......................................................................................................... 45
5.2
PoreĊenje 2 .......................................................................................................... 46
5.3
PoreĊenje 3 .......................................................................................................... 47
5.4
Rekapitulacija poreĊenja proraĉunatih izmerenih vrednosti ................................. 48
6 Procena uticaja sagorevanja uglja na ţivotnu sredinu .................................................... 50 6.1
Uticaj na vodu ....................................................................................................... 50
6.2
Uticaj na zemljište i ţivi svet ................................................................................. 50
6.3
Uticaj na atmosferu............................................................................................... 51
6.3.1 Ugljendioksid ..................................................................................................... 52 6.3.2 Ĉvrste ĉestice .................................................................................................... 53 6.3.3 Sumporni oksidi ................................................................................................. 54 6.3.4 Azotovi oksidi .................................................................................................... 54 7 Zakljuĉak ........................................................................................................................ 56 7.1 Predlozi za budući rad.............................................................................................. 57 8 Literatura ........................................................................................................................ 58 9 Spisak slika..................................................................................................................... 59 10 Spisak tabela ................................................................................................................ 60
2
1 UVOD Intenzivan razvoj privrede, brz rast industrijske proizvodnje i porast ţivotnog standarda tokom prošlog veka uslovili su povećanje energetske potrošnje. S obzirom da je energija opšti uslov privrednog razvoja za svaku zemlju, proizvodnja energije, ali i naĉin proizvodnje predstavljaju strategijska pitanja. Pri posmatranju ukupnog energetskog kompleksa naše zemlje, znaĉajnu ulogu ima ugalj. Nakon Drugog svetskog rata, on je poĉeo naglo da se eksploatiše, i bio je usko povezan sa razvojem energetske potrošnje i industrijalizacije. U sadašnjem trenutku, kada je ĉitav svet, kao i naša zemlja opsednut problemima energije i naĉinima za dobijanje energije, i kada je aktuelan problem optimalne strukture proizvodnje i potrošnje energije, smatra se da bi ugalj ponovo trebao da zauzme veoma znaĉajno mesto u energetici i industriji Srbije. Iz ovoga izlazi zakljuĉak da oslanjanje na korišćenje sopstvenih izvora energije predstavlja najlogiĉniji put dugoroĉnog razvoja energetike. U skorijoj prošlosti (pre raspada bivše Jugoslavije) postojale su tendencije da se koriste više uvozna goriva, kao što su nafta i gas, kojih je sada sve manje, i njihove cene rastu. Ubrzo se ispostavlja da zavisnost od uvoznih, oskudnih energenata je ozbiljan problem jedne zemlje. Sada, naša energetika se okreće domaćim vidovima energije a to su pre svega ugalj, hidroenergija, kao i naravno nekonvencionalni vidovi energije. Sa razvojem „ĉistih tehnologija“ za eksploataciju uglja, Srbija se moţe vratiti intenzivnom korišćenju uglja kao osnovnog energenta, ali sa osvrtom na ţivotnu sredinu ovoga puta. Sada, kada u Evropi i Srbiji postoji razvijena svest o ţivotnoj sredini, nadajmo se da će „crni sneg“, „crna kiša“ u okolinama naših termoelektrana na ugalj biti stvar prošlosti. Na osnovu svega navedenog, cilj ovog rada je sagledavanje trenutnog stanja pri sagorevanju uglja u termoelektranama, ocenjivanje koliko to termoelektrane na ugalj ima uticaj na atmosferu, proraĉun, odnosno modelovanje ovakvih podataka, i predviĊanje emisija u budućnosti, pri potencijalnim unapreĊenjima kada su emisije u vazduh u pitanju. U skladu sa normama o pisanju struĉnih radova, postavljena je struktura rada. Rad se sastoji iz uvoda, ĉetiri glave, zakljuĉka, listom tabela, slika, simbola i popisa korišćene literature. U drugom poglavlju opisan je ugalj kao gorivo detaljno, opisan je sastav uglja sa objašnjenjem individualnih materija unutar uglja. Akcenat je stavljen na one materije koje najviše doprinose stvaranju štetnih gasova pri sagorevanju uglja. Objašnjen je naĉin funkcionisanja termoelektrana na lignit ukratko. Ocenjen je sastav ugljeva u Republici Srbiji, prikazane njihove elementarne analize. Predstavljene su postojeće termoelektrane u Republici Srbiji, njihov tehnološki proces, i oprema. Treće poglavlje prikazuje ukratko uticaj koji proces sagorevanja uglja ostavlja na ţivotnu sredinu, prevashodno atmosferu. Prikazane su ti štetni gasovi koji nastaju u sagorevanju lignita, i mehanizam njihovog štetnog delovanja. U ĉetvrtom poglavlju je prikazan mehanizam sagorevanja uglja, i naĉini sagorevanja uglja u velikim termoenergetskim postrojenjima. Date su teorijske osnove pri modelovanju emisija nastalih sagorevanjem uglja, prevashodno lignita. Prikazan je jedan „generiĉni“ naĉin modelovanja emisija, stehiometrijske jednaĉine i uslovi, grafikoni znaĉajni za sagorevanje.
3
U petom poglavlju je dat primer modelovanja procesa nastanka emisija štetnih gasova u procesu proizvodnje elektriĉne energije iz uglja u termoelektranama.U tom primeru vrednosti su dimenzionisane prema vrsti uglja i tehnologiji naših termoelektrana. Na bazi prethodnih istraţivanja, u poslednjem poglavlju su uporeĊene matematiĉke metode, odnosno modelovanje nastanka štetnih gasova sa eksperimentalnim vrednostima, i informacijama dobijenim iz prakse, odnosno realnih uslova u jednom termoenergetskom postrojenju. Izvršena je diskusija o dobijenim rezultatima i razlikama izmeĊu prognoziranih i izmerenih vrednosti.
4
2 OSNOVNI PODACI O UGLJU I SASTAV UGLJA 2.1
Osnovni podaci o uglju
Ugalj kao energetsko gorivo ĉovek poznaje i koristi još od vremena pre nove ere. Poznato je da su stari Grci, kao i kinezi koristili ugalj još pre dva milenijuma. U tom periodu je ugalj korišćen za topljenje metala, kovanje, paljenje kreĉa, i zagrevanje prostorija. Od IX veka poĉinje istorija rudarenja uglja i masovnog korišćenja kao energetske sirovine uz koju poĉinje proizvodnja i napredak društva u celini.Iako je tokom šezdesetih i sedamdesetih godina proizvodnja uglja naglo opala, zbog pristupaĉnosti i jednostavnosti korišćenja naftnih derivata kao goriva, nakon raznih naftnih kriza, danas ugalj predstavlja oslonac energetike Republike Srbije a i mnogih drţava Evrope. Shvatanje da od ukupnih rezervni fosilnih goriva oko 80-85% pripada ugljevima, a samo 15% nafti, kao i da proizvodnja nafte neprestano poskupljuje i pada, dovelo je privredu i društvo da se opredeli za ugalj kao rešenje u obezbeĊenju sirovinske baze (Berberović, 1979) Mikroskopska ispitivanja omogućila su da se problem strukture, sastava i postanka uglja sagledaju sasvim realno i u novom svetlu. Prva temeljna istraţivanja sastava i strukture ugljeva naše drţave nastaju u tridesetim godinama XX veka. Savremena shvatanja dobijena dugotrajnim ispitivanjima uglja daju sledeće konstatacije (Nikolić 1980):
Svojim izuzetnim svojstvima gorenja ugalj je oduvek bio od koristi ljudima. Posle detaljnijih ispitivanja njegovih prirodnih svojstava, od poĉetka XIX veka, postao je znaĉajan ĉinilac ostvarenog ekonomskog i kulturnog razvitka ljudskog društva Ugalj, kao znaĉajno prirodno blago koje se crpi iz zemlje je predmet svestrane nauĉne obrade, tako da danas moţe, na osnovu raznih nauĉnih studija, da se jasno sagleda najveći deo problema vezanih za sastav, naĉin postanka uglja, ugljenih leţišta, kao i ponašanje pri sagorevanju. Ugalj je, kao biogena stena, postao od izumrlih biljaka koje su u raznim geološkim dobima bile deponovane u vodene sredine bez prisustva vazduha. Novim nauĉnim metodama ispitivanja uglja moguće je istovremeno unaprediti proizvodne procese i povećavati mogućnost dobijanja ekološki ĉistijih produkata, sa većom toplotnom moći.
Ako bismo bliţe i detaljnije definisali ugalj kao gorivo onda se za njega moţe reći sledeće: Ugalj je fosilno gorivo, odnosno sedimentna stena organskog porekla, nastala akumulacijom kopnenih i vodenih biljaka u vodenim sredinama bez prisustva vazduha. Kroz geološke periode duge istorije Zemljine kore, izumiranjem biljnog materijala i njegovom akumulacijom na dno moĉvara, jezera i drugih vodenih basena, biljna materija se pod dejstvom raznih faktora, pretvarala u ugalj. Intenzitet preobraţaja biljne materije u ugljenu materiju zavisio je od dejstva faktora metamorfoze, zbog ĉega se javljaju razliĉite vrste ugljeva: ligniti, mrki, kameni ugljevi i antraciti. Petrografski sastav, hemijski sastav i fiziĉke osobine uglja zavise od prvobitne materije, zatim od prisustva neorganske materije, kao i od vrste i intenziteta biohemijskih i geohemijskih faktora koji uslovljavaju preobraţaj materije. Sloţeni sastav uglja i znatno prisustvo ugljenika u njemu (40-95%), omogućile su široku upotrebu uglja. U hemijskoj industriji ugalj sluţi za dobijanje katrana, raznih ulja, masti, anilina, boja, lakova, benzola, gasa i sintetskih proizvoda. Kao sirovina za dobijanje koksa upotrebljava 5
se u metalurškoj industriji, a kao fosilno gorivo, toplotne vrednosti 8000-37000 kJ/kg, upotrebljava se kao energetska sirovina. Ugalj sadrţi pet osnovnih biogenih elemenata: C, H, O, N i S. Boja uglja je najĉešće mrko-crna, tvrdoća 0,5-2,5 kg/cm2, specifiĉne teţine 11,7. U genetskom smislu ugalj moţe biti humusni, kada je nastao od kopnenih biljaka i sapropelni kada vodi poreklo uglavnom od niţih biljaka, pre svega, algi. Prema stepenu istraţenosti u naslagama mlaĊeg paleozoika nalazi se 39% uglja, u stenama mezozoika 4,8% i u tercijaru 54% od ukupnih poznatih rezervi. Izmena organske materije i njeno pretvaranje u treset, lignit, mrki ugalj, kameni ugalj, poluantracit i antracit, a u izuzetno retkim sluĉajevima u grafit, dešava se u specifiĉnoj fiziĉko-geografskoj sredini i to pod dejstvom bioloških, fiziĉko-hemijskih i geoloških faktora. Svi navedeni procesi su sloţeni i vezani su neposredno za transformacije organske materije, koje su u funkcionalnoj vezi sa prirodom materije. Grubo se moţe uzeti da pod aerobnim uslovima se gubi oko 80% organske materije prilikom razlaganja, a samo 20% ostaje i uĉestvuje u sintezi uglja. Pored već pomenutih humusnih, i sapropelnih ugljeva, postoji i meĊugrupa saprohumoliti. U svakoj klasi razlikuju se podklase tipovi i vrste ugljeva. Ugljevi se takoĊe mogu podeliti na mrke i kamene, koji obrazuju jedan niz karbonifikacije. Sva svojstva ugljeva pri sagorevanju zavise od petrografskog sastava, stepena karbonifikacije i sadrţaja mineralnih komponenata. Njihova gustina je najmanja kod malopepelnih pravih sapropelita, a u nizu karbonifikacije – kod mrkih ugljeva. Elementarni sastav organske mase uglja karakteriše se preovladavanjem ugljenika (od 65% u mrkim ugljevima do 98% kod antracita) i manjom koliĉinom kiseonika (od 30% do 1%) i vodonika (od 6% do 1%). Vaţne tehnološke karakteristike uglja su koliĉina isparljivih materija, speĉenost i sadrţaj pepela (Nikolić, 1980).
2.2
Ugalj kao gorivo
Ugalj je najĉešća vrsta ĉvrstog goriva koja se koristi za energetske potrebe. U energetici ugalj se deli na: antracit, kameni ugalj, mrki ugalj i lignit. Na slici 2. je prikazana promena hemijskog sastava prirodnih ĉvrstih goriva u toku procesa karbonizacije Antracit je najstariji i najkvalitetniji ugalj. On se odlikuje malim sadrţajem volatila (lako isparljivih materija). U našoj zemlji ga nema, pa mu se neće posvećivati više paţnje. Kameni ugalj potiĉe od starih geoloških formacija, zrnaste je strukture, sjajnog crnog preloma, a ogreb mu je crn. Donja toplotna moć mu je od 19700 do 29300 kJ/kg, sadrţaj vlage 1 do 10%, a sadrţaj mineralnih materija 7 do 39%. U našoj zemlji ga ima veoma malo. Mrki ugalj je ĉvrste strukture, drobljiv i nepostojan na vazduhu. Prelom mu je školjkast i ravan, a prelomna površina pokazuje mrko-smeĊu boju. Ogreb mu je mrke boje, a donja kaloriĉna moć mu je od 12600 do 24300 kJ/kg. Sadrţaj vlage se najĉešće kreće u granicama od 6 do 37%, a mineralnih materija 7 do 37%. Glavna nalazišta u našoj zemlji su Senjsko – Resavski Basen i Aleksinac. Lignit predstavlja najmlaĊi ugalj, ima drvenastu strukturu, a prelom mu je iverast ili hrapav, dok mu je ogreb svetlo smeĊe boje. Odlikuje se niskim sadrţajem mineralnih materija (nakon sagorevanja - pepela) i visokim sadrţajem vlage. Donja toplotna moć mu znatno varira i uglavnom se kreće u granicama od 6300 do 14600 kJ/kg. Lignit je osnovno, 6
i najvaţnije domaće gorivo. Glavna nalazišta su mu u Kolubari, Kostolcu i Kosovu (Nikolić 1990). Nakon jula 1999. godine EPS ne upravlja svojim kapacitetima na Kosovu i Metohiji, pa se njima neće posvećivati više paţnje. Na slici 1. je prikazan odnos komponenata u drvu i uglju u zavisnosti od starosti materijala.
100 % 75
eni Ugl j
k
50 Isp arl jivi sa
25
0
DRVO
TRESET
st o jci
LIGNIT
MRKI KAMENI POLU- ANTRACIT UGALJ UGALJ ANTRACIT Slika 1. Promena hemijskog sastava ĉvrstih goriva (Nikolić, 1980)
S obzirom na karakteristike domaćeg lignita, on se troši uglavnom u termoelektranama koje su izgraĊene u blizini nalazišta, pošto je neisplativ duţi transport zbog niske kaloriĉne moći i visokog sadrţaja vlage. Prema SRPS B.H.001 domaći ugljevi se dele na lignitne, mrko-lignitne, mrke i kamene. Ova je podela izvršena na osnovu sadrţaja ukupne vlage, donje toplotne moći gorljive mase uglja i sadrţaja isparljivih materija u gorljivoj masi. Ugalj moţe da se podeli i prema obliku, naime pod rovnim ugljem podrazumeva se onaj ugalj, koji dolazi direktno iz jame ili površinskog kopa. On obiĉno sadrţi dosta neorganskih primesa, koji potiĉu od podine, povlate, i jalovih slojeva koji se nalaze u okviru ugljenog sloja (Nikolić 1990) Klasirani ugalj je oĉišćeni ugalj koji se razvrstava prema krupnoći i moţe biti u vidu: komada, graha, kocke, oraha i sitnijih sortimana. Ovi ugljevi se u stvari prodaju na malo, za individualna loţišta, ili eventualno sitna privatna industrijska postrojenja. Ne koristi se u velikim termoenergetskim postrojenjima. TakoĊe prema svojoj nameni ugljevi mogu biti: koksni, polukoksni, gasni, hidrirajući, energetski, briketirajući i drugi. Koksni ugljevi su kameni ugljevi sa malom koliĉinom isparljivih materija, i koriste se u visokim, metalurškim pećima, pa se o njima neće dalje priĉati. To isto vaţi i za polukoksne 7
odnosno švel ugljeve i hidrirajući ugljevi koji se pri visokoj temperaturi razlaţu na katran, teĉna goriva i sirovine za hemijsku industriju (Nikolić, 1990). TakoĊe postoje i ugljevi za gasifikaciju, a to su svi ugljevi sa sadrţajem koliĉinom isparljivih materija preko 30%, i bez mnogo smolnih materija. Postoje eksperimentalna termoenergetska postrojenja koja proizvode energiju nakon gasifikacije uglja, ali ona još nisu zaţivela, i ne igraju bitniju ulogu u svetskoj termoenergetici, pa o njima neće biti dalje reĉi. Kad su u pitanju energetski ugljevi, za njih je samo bitno da sadrţe što manje pepela, sumpora i vlage, da ih ima u velikom izobilju, i da u procesu gorenja daju što veći toplotni efekat. Ovakvi ugljevi i njihovo sagorevanje će biti i glavna tema ovog rada.
2.3
Osobine i sastav uglja kao goriva
Radi korektnog dimenzionisanja delova termoenergetskih postrojenja, taĉnije mogućnosti egzaktnog modelovanja sagorevanja uglja i samim tim nastanka emisija štetnih gasova, nuţno je dobro izanalizirati sastav uglja kao goriva. Osnovni podaci o kvalitetu uglja dobijaju se izradom tehniĉke i elementarne analize. Tehniĉka analiza obuhvata odreĊivanje sadrţaja vlage, pepela, sumpora (ukupnog, u pepelu, i sagorivog), koksa, C – fix-a, isparljivih i sagorljivih materija u uglju – izraţenih u % i toplotnu moć (gornju i donju) izraţenu u kJ/kg. Elementarna analiza goriva daje podatke o sadrţaju: ugljenika, vodonika, sumpora i zbira azota i kiseonika u uglju (u novije doba se daju i odvojeno), takoĊe izraţenih u procentima. Precizna hemijska analiza trebala bi da odgovori na pitanje od kojih se jedinjenja i u kojim koliĉinama sastoji dato gorivo. Bez obzira na znaĉaj ovog pitanja, do sada ne postoji metoda koja bi u svim sluĉajevima mogla da odgovori na njega. Razvojem gasne hromatografije omogućene su kvalitativne i kvantitativne analize razliĉitih ugljovodonika. Najlakše se moţe izvršiti analiza gasovitih goriva, a najteţe ĉvrstih prirodnih goriva, što je oteţavajuća okolnost za ovaj rad. Ugljevi su, moţe se reći, sastavljeni od nepoznatih hemijskih jedinjenja. Elementarna analiza pokazuje samo od kojih se elemenata i u kom meĊusobnom odnosu sastoji dato gorivo, ali ne omogućuju da se donese sud o nizu osobina goriva koje su funkciji jedinjenja od kojih se ono sastoji. Tako npr iako je poznat elementarni sastav goriva nije moguće bez poznavanja hemijskih jedinjenja od kojih se ono sastoji, skroz taĉno izraĉunati ni njegovu toplotnu moć. Na slici 2. su ilustrovane komponente unutar uglja (Vuletić, 2004).
8
VLAGA
W
S N O H
C
A
Slika 2. Maseni udeli razliĉitih materija u ĉvrstom gorivu (Nikolić, 1980) Gorivo koje se troši u velikim termoenergetskim postrojenjima zovemo radno gorivo. Ako radnom gorivu oduzmemo svu vlagu, dobija se suva masa goriva, od koje se dobija gorljiva masa daljim oduzimanjem mineralnih materija. U gorljivoj masi inertni azot i kiseonik predstavljaju balastne materije, jer njihovo prisustvo smanjuje stvarno sagorljive sastojke goriva.U inţenjerskim proraĉunima, pri modelovanju procesa sagorevanja u loţištu, neophodno je znati kako preraĉunati sa jedne mase goriva na drugu. Sa tabele 1. se moţe videti naĉin na koji se izraĉunava odnos izmeĊu opisanih masa goriva. Tabela 1. Koeficijenti za preraĉunavanje opisanih masa goriva (Vuletić, 2004) Masa goriva Radna Radna Suva Gorljiva
Suva
Goriva
1 1 1
Radna masa goriva moţe da se izrazi u masenim procentima, tako da moţe da se napiše u sledećem obliku (Manić, 2007). (1) gde su: C – ugljenik H – vodonik 9
O – kiseonik N – azot A – mineralne materije W – vlaga Suva masa goriva prikazana je sledećim izrazom: (2) Gorljiva masa, kao što je spomenuto, pored ugljenika, vodonika i sumpora, ĉine i kiseonik i azot, jer se nalaze vezani u gorivu sa gorivim elementima, pa se i oni ukljuĉuju u gorljivu masu. Sastav gorljive mase goriva da je sledećim izrazom (Manić, 2007): (3) OdreĊivanje sastava uglja je sloţena hemijska procedura, i u Republici Srbiji i mnogim drugim drţavama je ovaj postupak definisan serijom nacionalnih standarda. U ovom radu se neće posvećivati veća paţnja objašnjavanju ovih standarda i odreĊivanja sastava pojedinaĉnih komponenata uglja.
2.4
Komponente uglja
2.4.1 Ugljenik Ugljenik predstavlja osnovnu komponentu gorljive mase koji pri potpunom sagorevanju u ugljendioksid oslobaĊa 33900 kJ/kg. Ali, u stvarnom sluĉaju, ugljenik se u gorivu ne nalazi slobodan, u ĉistom stanju, nego u vidu organskih jedinjenja sa vodonikom, kiseonikom, azotom, i sumporom, ĉije raspadanje zahteva odreĊenu koliĉinu toplote, pa se pri sagorevanju goriva ne oslobaĊa teorijska koliĉina toplote, već nešto manja. Manja za onu koliĉinu toplote koja je potrebna da se izvrši hemijska reakcija raspadanja jedinjenja u kojima je sadrţan ugljenik. Ta koliĉina toplote je realno mala i za inţenjerske proraĉune se zanemaruje, odnosno, moţe da se uzme da je osloboĊena koliĉina toplote iz jedinjenja sa ugljenikom jednaka teorijskoj pri sagorevanju ĉistog, amorfnog ugljenika. Hemijski gledano, ugljenik je nemetal, crne boje, javlja se u tri oblika u prirodi (od interesa je uglavnom amorfni ugljenik, kakav se nalazi u uglju), gustina mu je od 1800 do 2200 kg/m3. Koliĉina ugljenika u gorivu odreĊuje kvalitet goriva. Povećanjem sadrţaja ugljenika, teorijski se poboljšava kvalitet, jer se osobine goriva pribliţavaju osobina ĉistog ugljenika, bez obzira da li je sagorevanje sa manjim ili uopšte bez plamena. Uglavnom sagoreva u CO2, odnosno ugljendioksid a u nedostatku kiseonika, što se u velikim termoenergetskim postrojenjima dogaĊa u izuzetnim sluĉajevima, sagoreva u CO, odnosno ugljenmonoksid. Navedeni tok procesa sagorevanja, kao i sluĉaj kada se prethodno gorivo i vazduh za sagorevanje zagrevaju pre sagorevanja, daje mogućnost da se izvrši karakteristiĉna podela na „fiksni“ ili „koksni ugljeni“ C – fix i u „isparljivi ugljenik“ koji odlazi zajedno sa isparljivim delovima iz goriva. Ugljenik iz goriva ima veoma veliki znaĉaj pri hemijskoj preradi goriva, i predstavlja izvor za stvaranje ĉitavog niza organskih jedinjenja. Ugljenik je i glavni deo koksa, koji predstavlja osnovu metalurgije i prerade ruda, i sluţi za redukciju ruda iz kojiih se dobijaju metali (Vuletić, 2004) 10
Sagorevanje ugljenika iz uglja samo po sebi ne privlaĉi veću paţnju u problematici nastanka emisija štetnih gasova u procesu proizvodnje elektriĉne energije u velikim termoenergetskim postrojenjima, jer je ono neminovno i neizbeţno. 2.4.2 Vodonik Vodonik je drugi znaĉajan element gorljive mase, koji pri sagorevanju u vodu oslobaĊa oko 142350 kJ/kg.U gorivu se takoĊe nalazi u vidu raznih jedinjenja, najĉešće u obliku ugljovodonika i vode. Obiĉno se uzima da je sav kiseonik, koji se nalazi u gorivu, sjedinjen sa vodonikom u vodu, tako da je koliĉina vezanog vodonika odreĊena koliĉinom kiseonika. On je hemijski gledano nemetal, to je najlakši hemijski element, i istovremeno element koji ima najveću toplotnu moć po jedinici mase u uglju, a takoĊe i razvija izuzetno visoku temperaturu plamena pri stehiometrijskom sagorevanju, ĉak 1930°C (Manić, 2007). Kada se odreĊuje koliĉina vodonika u uglju, posmatra se samo onaj vodonik koji moţe da gori, odnosno vodonik vezan sa kiseonikom u vodi tj vlazi se ne posmatra. Sagoreva u vodenu paru, koja nema negativan uticaj na ţivotnu sredinu, pa sagorevanje vodonika, ne samo da nema negativan uticaj na ţivotnu sredinu, nego predstavlja ĉist naĉin dobijanja toplotne energije. 2.4.3 Sumpor Sumpor koji se nalazi u gorivu moţe biti organskog i neorganskog porekla koji se javlja u vidu sulfita i sulfata. Gorljivoj masi pripada organski i sulfitni sumpor koji sagorevaju u sumpordioksid i pri tome oslobaĊaju izvesnu toplotu. Ta jedinjenja su konkretno ugljenik-sulfid (CS2), gvoţĊe-sulfid FeS2 ili sumpor-vodonik H2S (Manić, 2007). Prilikom poreĊenja izmerenih vrednosti sa proraĉunatima će biti i objašnjeno da ova teza nije uvek taĉna, odnosno da se u produktima sagorevanja moţe naći koliĉina sumporovih oksida veća od proraĉunske, što ukazuje da se neki deo „nesagorljivog“ sumpora ipak menja i stvara štetne gasove. Sumpor je pored mineralnih materija, glavni izvor štetnih gasova u procesu proizvodnje elektriĉne energije iz uglja. Hemijski gledano, on je takoĊe nemetal, javlja se u nekoliko izotopa, i oblika, uĉestvuje u velikom broju jedinjenja, a gore su pomenuta jedinjenja sumpora od interesa u problematici sagorevanja uglja. Produkti sagorevanja sumpora su SO2, odnosno sumpordioksid, SO3, odnosno sumportrioksid, SO3, SO odnosno sumpormonoksid. U sluĉaju kondenzovanja produkata sagorevanja,naĉelno vodene pare, moţe doći do formiranja sumporne i/ili sumporaste kiseline. Pri oksidaciji sumpora u sumpor-dioksid, oslobaĊa se 9,420 kJ/kg, a ako oksidiše u sumpor-trioksid, oslobaĊa se 13,816 kJ/kg. Kako se najveći deo sumpora vezuje u sumpor-dioksid, u proraĉunima se uzima da jedan kilogram sagorljivog sumpora oslobodi 10,500 kJ (Vuletić, 2004). Svi ugljevi sadrţe izvesnu koliĉinu sumpora, a ono što je dodatno problematiĉno kod dimenzionisanja emisija pri sagorevanju uglja je što sadrţaj sumpora u uglju varira dosta, ĉak i od sloja do sloja. Kameni, masniji ugljevi sadrţe više sumpora neko lakši ugljevi, tj mrki ugljevi i ligniti. Udeo sumpora u uglju moţe biti i preko 8% (Vuletić, 2004). 2.4.4 Azot
11
Azota u gorivu po pravilu ima malo i ne uĉestvuje u sagorevanju,ne daje toplotu i predstavlja inertni sastavni deo gorive materije i zauzima mesto u gorivu mesto, koje bi moglo biti upotpunjeno gorivim materijama, tako da on gorivu smanjuje vrednost, pogotovo jer se za njegovo zagrevanje i izdvajanje troši odreĊena koliĉina toplote. On se ĉesto u elementarnim analizama daje zajedno sa kiseonikom (O+N). (Manić, 2007) U gorivu se nalazi kao ostatak proteinskih materija biljnog ili ţivotinjskog porekla, koje su bile u poĉetnoj materiji za stvaranje goriva, naroĉito uglja. U gorivu se javlja u sastavu sloţenih organskih jedinjenja (Nikolić, 1980). Azot iz goriva po pravilu malo utiĉe na stvaranje azotovih oksida, već za to je „odgovoran“ azot iz vazduha. 2.4.5 Kiseonik Kiseonik sluţi za oksidaciju gorivih elemenata u gorivu. Kiseonik nije gorivi deo goriva, ali potpomaţe i omogućava sagorevanje. U gorivima se javlja vezan sa drugim elementima. Koliĉina kiseonika u gorivu smanjuje potrebnu koliĉinu kiseonika iz vazduha neophodnu za sagorevanje. Kiseonik predstavlja balast, jer zauzima mesto gorivim delovima što u oksidovanom stanju sa ugljenikom i vodonikom smanjuje koliĉine toplote koja se dobije sagorevanjem. Visok sadrţaj kiseonika nalazi se u drvetu, tresetu, i mlaĊim mrkim ugljevima, naĉelno lignitu, a znatno manje kod starijih ugljeva, dok ga kod teĉnih i gasovitih goriva praktiĉno nema (Nikolić, 1990) 2.4.6 Isparljive materije Isparljive materije (volatili) su materije gorljive mase nastale termiĉkim razlaganjem suve mase goriva pri njenom zagrevanju u sredini bez kiseonika. Produkti termiĉkog razlaganja mogu biti ĉvrsti (koks i polukoks), teĉni (razne smole, ulja i vlaga) i gasoviti (CO, H2, CO2, CH4 i drugi ugljovodonici). U volatile ubrajamo teĉnu i gasovitu frakciju termiĉkog razlaganja. Što više volatila u uglju, ugalj gori duţim plamenom, a i razvija niţu temperaturu u loţištu u odnosu na koks (Nikolić, 1990). 2.4.7 Vlaga Vlaga (W) koja se nalazi u gorivu predstavlja štetnu komponentu, jer mu sniţava toplotnu moć, povećava zapreminu produkata sagorevanja, usporava proces sagorevanja, sniţava temperaturu sagorevanja, smanjuje sipkost i potpomaţe proces samozapaljenja uglja. Vlaga se u ugljevima javlja u tri vida: Gruba vlaga (spoljašnja, površinska, slobodna) rezultat je kvašenja uglja vodom iz spoljne sredine pri dobijanju, transportu i skladištenju uglja. Higroskopska vlaga (unutrašnja, kapilarna) nalazi se u porama uglja Konstituciona vlaga predstavlja vodu u sastavu samog goriva hemijski vezanu – najĉešće u obliku kristalne vode (Vuletić, 2004). U tehniĉkim proraĉunima zanemaruje se sadrţaj konstitucione vlage, tako da ukupnu vlagu moţemo da predstavimo zbirom grube i higroskopske svedemo na isti vid goriva (Vuletić, 2004): (4) 12
gde su: W (%) – ukupna vlaga Wg (%) – gruba vlaga Wh (%) – higroskopska vlaga 2.4.8 Mineralne materije – pepeo Niz materija neorganskog porekla, koje se nalaze u gorivima nazivaju se mineralnim materijama, ili se ĉesto nazivaju pepeo, i obeleţavaju sa A. Pepeo je skoro neizbeţan sastojak goriva i predstavlja balast u gorivu. I najĉistiji ugljevi ga sadrţe, makar nekoliko procenata. Mineralne materije (pepeo) predstavljaju balast goriva. Njihovo prisustvo sniţava toplotnu moć, oteţava mlevenje ( kod kotlova koji sagorevaju ugalj u sprašenom stanju), erodira zagrevne površine kotla, pogoršava uslove zapaljivanja goriva, izaziva šljakovanje (kod loţišta u kojima se loţi ugalj u sloju) u sloju uglja koji gori i prouzrokuje šljakovanje zagrevnih površina (Vuletić, 2004). Hemijski sastav pepela pokazuje da je on identiĉan sastavu stena i ĉvrstog materijala iz zemljine kore. U njemu nalazimo anhidride kiselina: silicijuma, sumpora, ugljenika, fosfora, hlora, i baza: gvoţĊa, aluminijuma, kalcijuma, magnezijuma i alkalnih metala. To jasno pokazuje da je pepeo u gorivima ostatak neorganskih delova pramaterije ili nastao mešanjem pramaterije, iz kojih su goriva postala, sa sastojcima kore ondašnjeg doba. Sam sastav pepela, dakle, zavisan je i od sastava rastinja iz kojih je gorivo nastalo. U tabeli 2. je prikazan sastav pepela razliĉitih vrsta ugljeva. Ovaj niz primesa u ugljevima, pri sagorevanju na visokim temperaturama prati niz preobraţaja koji idu do raspadanja. Ostatak koji po završenom procesu sagorevanja ostaje, nesagorivi deo, predstavlja proizvod potpune oksidacije i razlaganja svih mineralnih materija, sadrţanih u gorivu (Nikolić, 1990). Mineralne materije, pepeo, s obzirom na period kada su dospele u ugalj, mogu se podeliti na (Nikolić, 1990):
Primarni pepeo, tj one mineralne materije koje sadţale biljke iz kojih se stvarao ugalj. To su uglavnom soli alkalnih i zemnoalkalnih metala – kalijuma, natrijuma, kalcijuma i magnezijuma Sekundarni pepeo, tj one mineralne materije koje su dospele u ugalj u periodu njegovog nagomilavanja i Tercijarni pepeo kojeg predstavljaju mineralne materije dospele u ugalj prilikom njegove eksploatacije.
Tabela 2. Sastav pepela razliĉitih vrsta ugljeva (en.wikipedia.org/wiki/Fly_ash) Kameni ugalj Mrki ugalj Lignit SiO2 (%)
20-60
40-60
15-45
Al2O3 (%)
5-35
20-30
20-25
Fe2O3 (%) 10-40
4-10
4-15
CaO (%)
1-12
5-30
15-40
Ostalo
<1
<1
<1 13
Mineralne materije koje se nalaze u uglju u toku procesa sagorevanja najpre omekšaju, zatim se tople, razlivaju se, i na kraju postaju sasvim teĉljive. Njihov „kvalitet“ se odreĊuje sledećim karakteristikama: temperaturom omekšavanja pepela, temperaturom topljenja pepela, temperaturom topljenja pepela, temperaturom razlivanja pepela i temperaturom teĉenja pepela (Nikolić, 1990). 2.4.9 Toplotna moć Definicija toplotne moći je da toplotna moć goriva predstavlja jednu od osnovnih karakteristika svih goriva. Ona predstavlja koliĉinu toplote koja se oslobodi hlaĊenjem dimnih gasova do 0°C uz potpuno sagorevanje jednog kilograma goriva pri atmosferskom pritisku (Joksimović-Tjapkin, 1981). Postoje donja i gornja toplotna moć. Gornja toplotna moć goriva je koliĉina toplote koju pri potpunom sagorevanju oslobodi 1 kg ĉvrstog goriva pri ĉemu se vodena para obrazovana u toku sagorevanja kondenzuje (i pritom preda toplotu kondenzacije). Donja toplotna moć se razlikuje od gornje po tome što se voda nalazi u parnom stanju, pa je ona manja od gornje toplotne moći za latentnu toplotu isparavanja vode pri 0°C. (5) gde su: Hd – donja toplotna moć Hg – gornja toplotna moć Kod nas se obiĉno upotrebljava donja toplotna moć jer se u generatorima pare po pravilu ne koristi skrivena toplota isparavanja (sem u kondenzacionim kotlovima na zemni gas koji se tek odnedavno koriste, pa o tome neće biti više reĉi). Produkti sagorevanja u konvencionalnim kotlovima, naime napuštaju kotao sa temperaturom koja je viša od temperature pri kojoj dolazi do kondenzacije vodene pare. Ukoliko poznajemo elementarni sastav goriva, donja toplotna moć se moţe izraĉunati za ĉvrsta i teĉna goriva preko sledeće empirijske formule (Nikolić, 1980): (
)
(6)
Ova vrednost je izraţena u kJ/kg, a sadrţaj pojedinih komponenti je dat u masenim procentima. Ova formula je samo jedna od mnogih empirijskih formula koje su dobijene u razliĉitim istraţivanjima od strane razliĉitih institucija. Taĉna toplotna moć se moţe dobiti testiranjem uglja u kalorimetru. Vezom izmeĊu izmerene toplotne moći i sastava uglja se dolazi do takve empirijske formule, koja moţe biti više ili manje taĉna. Jedan bitan dodatni problem je što domaćim lignitima varira sastav, a samim tim i toplotna moć. Kako su kotlovi u velikim termoenergetskim postrojenjima projektovani za gorivo konstantne toplotne moći, u sluĉaju da isporuka lignita ima manju donju toplotnu moć od proraĉunske, dolazi do kospaljivanja sa mazutom. Kod ĉvrstih goriva je vaţno poznavati sortiman goriva, i mehaniĉku ĉvrstoću uglja, zbog *njegovog mlevenja. Mehaniĉka ĉvrstoća uglja je veoma razliĉita za razne vrste uglja i zavisi od vrste uglja, sadrţaja i kvaliteta mineralnih materija, geološkog sastava i strukture uglja (Manić, 2007). Od ostalih karakteristika ĉvrstih goriva interesantno je još poznavati njihovu gustinu. Pri tome se razlikuje stvarna gustina koja iznosi oko 1,44 kg/dm 3 i nasipnu gustinu koja se 14
odnosi na gustinu uglja u nasipnom stanju, pri ĉemu su u zapreminu uraĉunate i šupljine izmeĊu ĉestica goriva. Ona zavisi od vlaţnosti, granulometrijskog sastava i stepena sabijenosti goriva koji zavisi i od vremena (Manić, 2007). Prilikom planiranja i raznih preraĉunavanja, ĉesto se koristi termin uslovno gorivo, ĉija je donja toplotna moć jednaka 29300 kJ/kg. Ova veliĉina se koristi pri sumiranju raznih toplotnih resursa, uporeĊenje specifiĉnih utrošaka na jedinicu energije (prozvedene ili predate potrošaĉima), kao i pri sprovoĊenju tehno-ekonomskih proraĉuna (JoksimovićTjapkin, 1981)
2.5
Termoelektrane na ugalj
Termoelektrana na ugalj je jedan od tipova termoelektrani koja sagoreva fosilno gorivo u cilju proizvodnje elektriĉne energije. Termoelektrane su obiĉno dizajnirane kako bi mogle raditi kontinualno i mnogo godina, sa minimalnim zastojima. U mnogim zemljama, pa i Republici Srbiji, ovakve elektrane pruţaju većinu proizvedene elektriĉne energije. Termoelektrane imaju rotirajuće mašine koje pretvaraju toplotnu energiju sagorevanja u mehaniĉku energiju koja dalje pokreće generator. Primarni pokretaĉ je u normalnim okolnostima parna turbina. Ugalj je popularan kao gorivo za većinu termoelektrana zbog njegove jeftine eksploatacije, a on je i najrasprostranjenije fosilno gorivo na planeti. Termoelektrane se uvek grade u relativnoj blizini rudnika, kako bi se olakšao transport uglja, koji je potreban u izuzetno velikim koliĉinama. U termoelektrani koja radi po Clausius Rankine-ovom kruţnom ciklusu, postoje dva osnovna trakta kroz koja protiĉu materija i energija, a nemaju fiziĉkog kontakta izmeĊu sebe. Prvi se moţe nazvati „voda – para“ a drugi trakt je „ugalj – dimni gasovi i šljaka“. Uprošćena šema termoenergetskog postrojenja (termoelektrane na ugalj) prikazana je na slici 3. U nastavku će biti ukratko objašnjen proces koji se odvija u oba trakta. 2.5.1 Trakt „voda – para“ Hemijski pripremljena voda teĉe kroz vertikalno postavljene ekranske cevi u kotlu gde se zagreva i na kraju isparava, i pregreva se. Ona protiĉe prvo kroz ekonomajzer (23), zatim bubanj (17) i na kraju u pregrejaĉ (19), gde se zagreva na visoke parametre. Para se tada konstatno propušta kroz turbinu visokog pritiska (11), prvoj od tri turbine u tipiĉnoj termoelektrani. Glavni ventil (10) se moţe kontrolisati automatski ali i manuelno u sluĉaju potrebe. Para koja izlazi iz turbine visokog pritiska smanjenih parametara se vraća u kotao na dogrevanje (21). Dogrejana para zatim ulazi u turbinu srednjeg pritiska (9) i nakon toga direktno ulazi u dvoprotoĉnu turbinu niskog pritiska (6). Izlazna para vrlo niskog pritiska, malo iznad temperature kljuĉanja se dovodi u toplotni kontakt sa hladnom vodom koja se pumpa pumpom rashladne vode (2) u ovom sluĉaju iz rashladne kule (1), (ali moţe i iz npr reke). Time se stvaraju uslovi vakuma u kondenzatoru (8). Kondenzovana voda se pumpa uz pomoć kondenz pumpe (7) kroz degazator (12), pa se greje u regenerativnom zagrejaĉu niskog pritiska (13) zatim se podiţe na visok pritisak uz pomoć napojne pumpe (nije obeleţena brojem). Nakon toga ceo ciklus poĉinje od poĉetka. Turbine su obiĉno na istoj osovini, bez reduktora, sa trofaznim elektriĉnim generatorom (5) koji stvara struju srednjeg napona, a ona se podiţe sa transformatorom (4) na napon koji je podesan za prenos na velike daljine trofaznim dalekovodom (3) 15
2.5.2 Trakt „ugalj – dimni gasovi i šljaka“ Ugalj se prenosi trakastim transportom (14) sa spoljašnje deponije i privremeno smešta u bunker uglja (15) a onda se melje u fin prah uz pomoć teških drobilica u mlinu za ugalj (16). Nakon toga se meša sa predgrejanim vazduhom koji je usisan iz atmosfere (22) u regenerativnom zagrejaĉu vazduha (24) i potiskuje ventilatorom (20). Mešavina sprašenog uglja i toplog vazduha ulazi velikom brzinom i pod velikim pritiskom u loţište kotla gde se brzo pali i sagoreva. Vreli produkti sagorevanja prolaze kroz kotao time predaju toplotu vodi koja pritom isparava i pregreva se, zatim izlaze iz kotla, gde obiĉno predaju preostalu toplotu napojnoj vodi u predgrejaĉu odnosno regenerativnom zagrejaĉu napojne vode i sveţeg vazduha. Jedan deo mineralnih materija ostaje na dnu kotla i sliva se u vidu šljake (18). Sirovi dimni gas se povlaĉi od strane odsisnog ventilatora (26) kroz ureĊaje za preĉišćavanje dimnog gasa, što je u ovom sluĉaju (i najĉešće samo) elektrostatiĉki filter (EF) (25). Nakon toga dimni gas biva potisnut kroz dimnjak (27). Za potrebe ovog rada neće biti više zadrţavanja na traktu „voda – para“, jer je on tek posredno povezan sa emisijama štetnih gasova u procesu proizvodnje elektriĉne energije. Najviše će paţnje biti posvećeno bilansu mase i modelovanju procesa u traktu „ugalj – dimni gasovi i šljaka“ gde i nastaju štetni gasovi.
Slika 3. Pojednostavljena shema termoelektrane (http://en.wikipedia.org/wiki/File:PowerStation2.svg)
16
2.5.3 Gubici u termoelektrani Od ukupne toplote, dobijene pri sagorevanju goriva , deo se gubi usled nepotpunog sagorevanja goriva, deo se gubi sa izlaznim gasovima, deo se koristi za sopstvenu potrošnju elektrane (pogon mnogobrojnih pumpi, ventilatora i drugih ureĊaja). Ali, osnovni gubitak toplote (oko polovine ukupne toplote koju sadrţi gorivo) nastaje u kondenzatoru. Ovo je neminovno zbog prirode Clausius Rankine-ovog kruţnog ciklusa. Prilikom kondenzacije pare oslobaĊa se velika koliĉina toplote koja u kondenzatoru zagreva rashladnu vodu sa kojom odlazi u reku ili veštaĉko jezero, reĊe u atmosferu. 2.5.4 Kotlovsko postrojenje Za pretvaranje hemijske energije goriva u toplotnu sluţi kompleks ureĊaja koje nazivamo kotlovskim postrojenjem. Kotlovi koji kao rezultat svoje proizvodnje imaju vodenu paru zovemo parni kotlovi. Pored njih postoje i toplovodni i vrelovodni (vrela voda u ovom smislu znaĉi voda u teĉnom stanju na nadpritisku i iznad 100 °C) kotlovi, koji se koriste za centralno zagrevanje prostora, a pošto se oni ne koriste za proizvodnju elektriĉne energije u termoelektranama o njima neće biti više reĉi. Parni kotlovi se nekad nazivaju i kotlovski agregat, a poslenjih godina se sve ĉešće koristi termin generator pare. Pri sagorevanju goriva, koje predstavlja jedinjenja ugljenika, vodonika, i ugljovodonika, elementi koji ulaze u sastav goriva, spajaju se sa kiseonikom iz vazduha, oslobaĊaju toplotu i zagrevaju produkte sagorevanja. Od produkata sagorevanja toplotna energija se predaje radnom telu koje se zagreva na gore opisan naĉin. Prema tome, u kotlovsko postrojenje je neophodno dovesti odreĊenu koliĉinu goriva i vazduha, obezbediti potpuno sagorevanje goriva, i predaju toplote od produkata sagorevanja radnom telu i odvoĊenje produkata sagorevanja. Zatim dovoditi vodu pod odreĊenim pritiskom zagrejati do potrebne temperature i pretvoriti je u paru, odvojiti vlagu iz pare, paru pregrejati (Perunović, 1979). Osnovni delovi samog kotla su: loţište, zagrejaĉ vode (ekonomajzer), pregrejaĉ pare i zagrejaĉ vazduha. Za ostvarenje svog zadatka pored samog kotla, kotlovsko postrojenje obuhvata (Perunović, 1979):
ureĊaj za dovod i pripremu goriva ureĊaj za dovod sveţeg vazduha ureĊaj za odvod šljake, odnosno pepela koji je na dnu peći ureĊaj za odvod produkata sagorevanja (odsisni ventilator i dimnjak) ispred koga se postavlja ureĊaj za izdvajanje pepela iz produkata sagorevanja, najĉešće elektrofilter ureĊaj za hemijsku i termiĉku pripremu vode sa izdvajanjem gasova (degazacijom) napojni ureĊaj, odnosno pumpa
Svi ovi ureĊaji se postavljaju u objektu koji se naziva kotlarnica, a u njoj se nalazi i ureĊaj za drţanje odreĊene rezerve goriva (kotlovski bunker), ureĊaje za pripremu goriva, odnosno mešanje sa vazduhom i njegov dovod do gorionika (pneumatske cevi i oprema). Sastavni deo kotlovskog postrojenja su i merno – regulacioni ureĊaji i pribora koji omogućavaju praćenje i kontrolu procesa sagorevanja u generatoru pare. Osim navedenog, izvan kotlarnice se najĉešće postavljaju ureĊaji za istovar i transport ĉvrstog goriva po deponiji uglja, njegovo sortiranje, drobljenje i mlevenje i dovod do kotlarnice. 17
TakoĊe se tu nalaze i ureĊaji za odvod šljake odnosno pepela iz kotlarnice do deponije pepela. Kao što se vidi, procesi koji se odvijaju u kotlovskom postrojenju su veoma sloţeni i raznoliki: priprema goriva za sagorevanje; sagorevanje goriva; predaja toplote; zagrevanje, isparavanje i pregrevanje vode; odnošenje soli sa parom i njihovo taloţenje; separacija vlage iz pare; strujanje radnog tela, vazduha i dimnih gasova; korozija i erozija metala i promena osobina pri visokim temperaturama (Perunović, 1979). Iz ovoga se vidi da kotlovsko postrojenje predstavlja veoma sloţeni kompleks elemenata i pomoćnih ureĊaja, i da se karakteriše raznim fiziĉko – hemijskim procesima. Zato je konstruisanje i izrada savremenog generatora pare izvanredno sloţena i zahteva mnogo truda. Potpuna automatizacija rada kotlovskih agregata postala je moguća tek na bazi najnovijih nauĉnih i tehniĉkih dostignuća (na primer kompjutersko simuliranje kretanja fluida, CFD). Karakteristike parnog kotla su produkcija pare u kg/s, parametri pare (pritisak i temperatura) i stepen korisnog dejstva, potrošnja goriva u kg/s. Proraĉun parnog kotla se vrši obiĉno u odnosu na trajno maksimalnu produkciju pare. Trajno maksimalnom produkcijom se naziva najveća produkcija pare, koju parni kotao moţe proizvoditi u toku duţeg vremenskog perioda pri odrţavanju projektovanog sastava goriva, parametara pare i napojne vode. Toplotna savršenost generatora pare se karakteriše koeficijentom korisnog dejstva bruto, tj odnosom toplote preda radnom fluidu prema koliĉini toplote sagorenog goriva, ne uzimajući u obzir toplotu ekvivalentnu utrošku elektriĉne energije za sopstvene potrebe. Ovaj utrošak elektriĉne energije moţe biti 3-5 kWh/t proizvedene pare, a pri tome se misli na energiju koja se troši za transport vazduha i produkata sagorevanja (Perunović, 1979).Pored toga, energija utrošena za mlevenje uglja je oko 10-15 kWh/t proizvedene pare. O sopstvenoj potrošnji elektriĉne energije svih ureĊaja jedne termoelektrane dovoljno je reći da Termoelektrana „Nikola Tesla“ (TENT) A ima snagu na generatoru 1650,5 MW, a na pragu 1502 MW, što znaĉi da je snaga ukupnih potrošaĉa u krugu termoelektrane 148,5 MW, odnosno 11% ukupne snage
2.6
Ugalj u Republici Srbiji
U Republici Srbiji, sagledavanjem energetske strukture, lako se shvata da je ugalj najviše zastupljen kao energent koji je sadašnji a i budući nosilac energetskog razvoja. MeĊutim ugljevi Republike Srbije ne spadaju u kvalitetne energetske sirovine, ni prema meĊunarodnoj, ni prema domaćoj podeli. Kameni ugljevi se odlikuju visokim sadrţajem sumpora, a neki i visokim sadrţajem pepela. Mrki ugljevi Republike Srbije imaju takoĊe visok sadrţaj sumpora (3-6%) i pepela (10-25%) a ligniti mnogo vlage (i preko 50%) i pepela. U tabeli 3. je prikaz rezervi uglja Republike Srbije:
18
Tabela 3. Rezerve uglja Republike Srbije u milionima tona (Nikolić, 1980) Kameni [106t]
Mrki [106t]
Mrko-lignitni [106t]
Lignit [106t]
Ukupno [106t]
Geološke rezerve
105,37
133,70
819,00
19.734,27
20.792,34
Bilansne rezerve
22,40
39,44
471,15
18.101,27
18.634,26
Eksploatacione rezerve
7,56
25,64
268,56
14.484,40
14.786,16
S obzirom na ograniĉenu rasprostranjenost, odnosno veliku koncentraciju rezervi lignita kao i veoma povoljne uslove otkopavanja u velikim basenima (masivni slojevi, relativno mali koeficijent otkrivke, moguća primena kontinualne tehnologije iskopavanja sa velikim mašinama i dr.) omogućuje se njegova ekonomiĉna proizvodnja. Iz karakteristika naših ugljeva jasno proizlazi da njihova eksploatacija, prerada i korišćenje nanose štetu ĉovekovoj okolini i da iz tog razloga treba kod njihove primene svesti na minimmum zagaĊenje ţivotne sredine primenom najsavremenijih tehnologija za njegovo smanjenje ili potpuno neutralisanje. Karakteristike rovnog uglja kao goriva, nisu najpovoljnije, jer je zbog sadrţaja balasta, odnosno vlage i mineralnih materija neujednaĉene granulacije i sastava, a zbog toga i niske toplotne moći, upotreba ograniĉena na neposrednu blizinu nalazišta. Uz nepovoljan regionalan raspored, sa navedenih karakteristikama, proizilazi da se tek kroz oplemenjivanje uglja moţe da se dobije proizvod ĉija je primena, manje ili više, daljinski i ekonomski neograniĉena. Istovremeno, direktno korišćenje niskovrednih goriva u raznim tehnološkim procesima kod kojih se zahtevaju visoke temperature, do sada ostvarivane teĉnim i gasovitim gorivima, nije moguće. Ugalj se zato tehnološkom ili hemijskom preradom, dovodi u takvo stanje da u potpunosti moţe da zameni goriva koja se primenjuju u visokotemperaturskim tehnološkim procesima, kao i pri direktnom sagorevanju za dobijanje elektriĉne i toplotne energije (Nikolić 1997). Od ugljenih basena u Republici Srbiji u nastavku dalje će biti samo prikazani oni koji se koriste u velikim termoenergetskim postrojenjima za proizvodnju elektriĉne energije. TE Morava, koja je ranije koristila kvalitetan ugalj iz Resavsko-Moravskog basena, nakon velike nesreće u rudniku, sada koristi preteţno kolubarski ugalj, jer su otkopavanja na Resavsko-Moravskom basenu svedeni na minimum. 2.6.1 Kostolački basen Kostolaĉki basen se nalazi od Dunava na severu do Petrovca na Mlavi (na jugu) i od Golupca na istoku do Morave na zapadu se nalazi najveći basen uglja u istoĉnoj Srbiji. Naroĉito je ugljonosan izmeĊu Kostolca i Poţarevca, kao i oko ušća Mlave i Velikog Gradišta. Postoje sledeći otkopi: Poljana, Kostolac, Drmno i Klenovnik. Budućnost proizvodnje vezana je za površinski otkop Drmno, jer je od nedavno površinski kop Ćirikovac posle više od veka eksploatacije zatvoren. U roku od nekoliko godina, planira se povećanje godišnje proizvodnje ovog basena na oko 12 miliona tona uglja godišnje. Ukupne rezerve uglja u ovom basenu su procenjene na oko 1,5 milijardi tona. U ugljonosnoj seriji donjopliocenske starosti debeloj oko 200 metara javljaju se tri sloja uglja: donji, srednji i gornji. Pre Drugog svetskog rata Kostolac je sa 47% proizvodnje 19
lignita u Republici Srbiji, ili 18,4% u Kraljevini Jugoslaviji bio glavni proizvoĊaĉ ove vrste uglja. Donji ugljeni sloj je sa najvećim rasprostranjenjem – od Ćirikovca na jugu do Dunava na severu i od Morave na zapadu, do Klićevca na istoku. Sadrţi 40% vlage, (17% higrovlage), 15-20% pepela, 1% sumpora i ima toplotnu moć oko 7500-10000 kJ/kg.Tabela 4. prikazuje sastav uglja sa odabranih otkopa iz Kostolaĉkog basena: Tabela 4. Tehniĉka analiza ugljenih slojeva u otkopima Kostolac, Ćirikovac i Drmno (Nikolić 1990) Element ispitivanja
Kostolac I sloj
Ćirikovac II i III sloj Drmno IV sloj
Vlaga (%)
43,38-34,34
43,00-48,00
44,00-42,30
Pepeo (%)
15,33-23,33
11,00-18,00
17,00-18,00
Sumpor – ukupni (%)
1,01-1,15
0,38-2,79
0,36-1,96
Sumpor u pepelu (%) 0,62-0,80
0,44-0,53
0,38-1,00
Sumpor sagorljivi (%) 0,39-0,35
0,14-2,16
0,13-0,96
Koks (%)
32,33-38,39
29,94-38,89
29,39-37,19
C – fix (%)
15,97-14,86
12,83-20,45
12,66-19,78
Isparljivo (%)
26,65-28,26
17,99-25,85
19,01-25,39
Sagorljivo (%)
42,02-40,22
30,82-46,30
32,25-43,10
Gornja t. moć (kJ/kg)
10.880-10.950 9.623-10.047
8.160
Donja t. moć (kJ/kg)
8.308-9.205
8.824
8.160-8.577
A na tabeli 5. se moţe videti proseĉan sastav pepela ugljeva sa ovog ugljenog basena. Tabela 5. Hemijski sastav pepela uglja Kostolaĉkog basena (Nikolić 1990) Hemijsko jedinjenje Maseni udeo (%) Hemijsko jedinjenje Maseni udeo (%) SiO2
56,79
PbO2
0,011
Al2O3
19,10
Cr2O3
0,024
Fe2O3
7,74
CuO
0,059
Cao
6,66
CoO
0,023
MgO
1,28
MnO
0,130
TiO2
1,01
V2O5
0,040
SO2
3,89
SrO
0,157
P2O5
0,15
BaO
1,330
Na2O
0,62
ZnO
0,041
K2O
0,87
As2O3
0,012
NiO
0,034 20
Ugljena materija prema svom petrografskom sastavu i rezultatima imedijatne analize moţe se ubrojiti u lignit dobrog kvaliteta. Pozitivne strane su mu to što ima vrlo malo prisustvo neorganskih materija u okviru njegove strukture, kao i relativno malu zastupljenost pepela i sumpora. Pošto se nalazi u niţem stepenu karbonizacije ugljena, materija ima niske toplotne vrednosti. Sem kao sirovina za sagorevanje u industriji i termoelektranama, moţe se upotrebljavati za sagorevanje u širokoj potrošnji, ali i za proizvodnju švel koksa. Ĉak se moţe i briketiirati (Nikolić, 1990).
2.6.2 Kolubarski basen
Kolubarski basen je jedan od najvećih basena lignita u Republici Srbiji, nalazi se juţno od Beograda. Poĉeo je da se eksploatiše oko 1910. godine. Prva termoelektrana je napravljena 1936. godine u okviru basena, taĉnije u Vreocima. Od tada poĉinje pravo interesovanje za Kolubarski basen i njegova prava istorija jednog modernog rudnika koji je prerastao u praktiĉno najvećeg giganta ugljarske i elektroprivrede. Kolubara, koja protiĉe kroz basen deli ĉitav tercijarni zaliv na dva dela: Kolubarski na istoku i Posavskotamnavski na zapadu. Kolubarski deo basena zahvata preko 600 km 2 površine. Dolinom reke Kolubare je široko otvoren prema rekama Savi i Dunavu. Juţno i jugoistoĉno od Uba, u dolini Kolubare se javljaju znatne koliĉine uglja podesne za eksploataciju. Postoje otkopna polja A, B, C, D, kao i rudnici Vreoci, Veliki Crljeni, Kolubara, Kosmaj, Baroševac Tamnava itd. Sastav ovog uglja znatno varira, kako i od dubine tako i od polja na kojem se iskopava, kao što je prikazano na Tabeli 6: Tabela 6. Pregled osnovnih osobina uglja po objektima u Kolubari (Nikolić 1990) Otkop
Vlaga (%) Pepeo (%) Ukupni S (%) Hd (kJ/kg)
Polje „A“
53-55
9-14
0,325-0,94
6.237-7.322
Polje „B“
49-54
12-16
0,28-0,76
6.273-7.740
Polje „C“
50-53
7-14
0,72-0,41
6.950-8.368
Polje „D“ sever
50-54
6-10
0,66-0,38
8.168-9.205
Polje „D“ zapad
50-53
3-12
0,29-0,96
8.577-9.205
Polje „D“ jug
52-54
5-6
-
7.322-8.996
Polje „D“ istok
49-52
7-12
-
8.160-9.205
Jama V. Crljeni
52-53
8-11
-
8.160-8.996
Jama Kosmaj
52-53
9-12
-
7.530-8.368
Jama Baroševac 50-52
9-14
0,42-0,76
6.900-8.787
Polje Tamnava
3-12
0,35-0,76
6.482-9.205
49-54
Ugljeni sloj je sloţene graĊe, prošaran proslojcima glina i peskova. Sadrţi generalno oko 50% vlage, 10% pepela i oko 0,5% sumpora. Zbog većeg prisustva vlage, toplotna 21
vrednost mu je mala – od 7000-9000 kJ/kg. Sušenjem uglja u sopstvenoj sušari (metoda Fleissner-a) ugalj znatno smanjuje vlagu, a povećava toplotnu vrednosti i do 17000 kJ/kg. Od ukupnih rezervi uglja, koje su takoĊe pozamašne, oko 1/3 se moţe otkopati površinskim putem, pri ĉemu je odnos jalovine i uglja 2,4/1. U tabeli 7. je prikazana detaljna elementarna analiza jednog uzorka uglja Kolubare sa tri dubine. Tabela 7. Detaljna analiza uglja Kolubare (Nikolić 1990) Element ispitivanja
Povlatni sloj I Glavni sloj II Podinski sloj III
Tehnička analiza Vlaga (%)
57,10
46,00
19,42
Pepeo (%)
13,04
15,33
19,42
Sumpor – ukupni (%)
0,39
0,42
0,91
Sumpor u pepelu (%)
0,15
0,20
0,20
Sumpor sagorljivi (%)
0,24
0,22
0,71
Koks (%)
25,25
31,17
36,65
C – fix (%)
10,21
15,84
17,23
Isparljivo (%)
17,65
22,83
21,20
Sagorljivo (%)
27,86
38,67
38,43
Gornja t. moć (kJ/kg)
6.947
10.157
10.224
Donja t. moć (kJ/kg)
5.271
8.607
8.824
Ugljenik (%)
13,10
25,62
19,72
Vodonik (%)
1,92
2,39
1,93
Sumpor sagorljiv (%)
0,21
0,22
0,40
Azot + kiseonik (%)
7,25
10,44
9,07
SiO2(%)
54,60
55,66
56,42
Fe2O3 (%)
6,30
4,99
6,17
Al2O3 (%)
23,40
29,91
26,05
CaO (%)
4,45
3,40
3,75
MgO (%)
2,15
2,71
2,28
SO2(%)
2,48
1,30
2,54
PbO2 (%)
0,06
0,04
0,09
TiO2 (%)
0,65
0,71
0,88
Na2O (%)
0,18
0,46
0,69
K2O(%)
0,91
1,01
1,34
Elementarna analiza
Analiza pepela
22
Ove predstavljene detaljne analize naših lignita olakšavaju mogućnost modelovanja emisija pri sagorevanju nekih od predstavljenih ugljeva, mada za detaljnu analizu i optimizaciju procesa sagorevanja treba imati uvek aktuelne podatke o uglju koji se sagoreva u tom periodu.
2.7
Postojeće termoelektrane na ugalj u Republici Srbiji
U Republici Srbiji bez Kosova trenutno postoji šest termoelektrana na ugalj, i to ĉetiri u sklopu PD TENT (Poslovno društvo Termoelektrane „Nikola Tesla“) i dve u sklopu PD TE KO Kostolac (Privredno društvo Termoelektrane i kopovi „Kostolac“). One su sve graĊene i blokovi puštani u pogon u periodu od 1956 – 1991. godine (većina u 70-tim i 80tim godinama). Iako nisu konstrukciono sve bile iste u trenutku izgradnje, vremenom njihove karakteristike u domenu zagaĊenja ţivotne sredine štetnim gasovima su svedene na vrlo sliĉan nivo, jer su starijima naknadno ugraĊeni elektrofilteri (umesto multiciklona ili vrećastih filtera koji su bili prvobitno namešteni), dok su novijim TE primenjena su tadašnja aktuelna rešenja u cilju smanjenja zagaĊenja vazduha, tj montirani elektrofilteri još pri izgradnji što se tada smatralo kao dovoljna mera smanjenja zagaĊenja u svetskim normama. Nijedna termoelektrana u Republici Srbiji u trenutku pisanja ovog rada nema ureĊaje za smanjenje emisije sumporovih i azotovih oksida kao što su FGD (Flue Gas Desulfurisation) postrojenja i postrojenja SKR/SNKR (Selektivne Katalitiĉke Redukcije i Selektivne NeKatalitiĉke Redukcije). Sledi prikaz termoelektrana na ugalj PD TENT i PD TE KO Kostolac na tabeli 8: Tabela 8. Pregled termoelektrana na ugalj u sistemu EPS (www.eps.rs) Ime termoelektrane
Broj blokova
Ukupna snaga na pragu (MW)
Proizvodnja u 2008. (GWh)
TENT A
6
1.502
9.052
TENT B
2
1.160
8.347
TE Kolubara
5
245
1.010
TE Morava
1
108
334
2
281
1.865
640
3.012
PD TENT
PD TE KO Kostolac TE Kostolac A TE Kostolac B
Termoelektrane Nikola Tesla uzima praktiĉno 100% uglja sa površinskih kopova Kolubare, jedino TE Morava u reĊim sluĉajevima koristi ugalj iz Kostolaĉkog basena. U prošlosti je TE Morava koristila kvalitetni mrki ugalj iz Resavskog basena, odnosno okoline Aleksinca, meĊutim pošto se, kao što je napomenuto, ovaj basen izuzetno malo eksploatiše, sada koristi gore pomenuti lignit niţeg kvaliteta. Iako je kolubarski lignit lošiji 23
od kostolaĉkog, što je na prethodnim stranicama već objašnjeno. Potrošnja uglja ovih elektrana nekad moţe biti i 150.000 tona na dan. Trenutno na njima se ulaţu napori da se pozamenjuju elektrofilteri na svim blokovima, kako bi se ispunili domaći i EU zakoni o maksimalnoj emisiji od 50 mg pepela po normalnom metru kubnom dimnog gasa. TE Kolubara je najstarija aktivna termoelektrana u Republici Srbiji. Još pre 23 godine je poĉeta izgradnja novog termoenergetskog postrojenja, ali je pauzirana i planira se završetak izgradnje, i intenziviranje otkopa uglja. Termoelektrane u Kostolcu koriste ugalj iz istoimenog basena, s tim što je kop „Ćirikovac“ zatvoren od ove godine, a otkop uglja iz kopa „Drmno“ je intenziviran, kako bi namirio oba termoenergetska postrojenja. Kostolaĉki ugalj je boljeg kvaliteta nego kolubarski, ujednaĉeniji je, sadrţi manje vlage i štetnih supstanci. Trenutno se planira dalje intenziviranje otkopa uglja i gradnja novog postrojenja. TE Kostolac B je najnovija termoelektrana na ugalj u Republici Srbiji, drugi blok je pušten u mreţu 1991. godine (EPS podaci).
24
3 MEHANIZAM I KINETIKA SAGOREVANJA UGLJA U TERMOELEKTRANAMA
Za potrebe ovog rada potrebno je detaljno razjasniti proces sagorevanja unutar loţišta jednog velikog termoenergetskog postrojenja. Pod sagorevanjem uglja podrazumeva se brzo hemijsko vezivanje sagorljivih sastojaka u gorivu. Ovo znaĉi da je sagorevanje veoma sloţen fiziĉko-hemijski proces u kome se iz goriva oslobaĊa hemijski vezana toplota uz dobijanje produkata sagorevanja (pepela sa dimnim gasovima). Gorivo u loţištu moţe sagorevati potpuno ali i nepotpuno, što zavisi od nekoliko faktora, od ĉega je najbitniji vazduh, odnosno kiseonika, vrste i tipa loţišta, hemijskog sastava goriva, vlaţnosti goriva, stepena korisnog dejstva i tako dalje. Potpuno sagorevanje goriva podrazumeva sagorevanje osnovnih gorivih elemenata goriva: ugljenika, vodonika, sumpora i ostalih gorivih komponenata. Dimni gas potpuno sagorenog uglja je svetao, i bez ĉaĊi (C). Nepotpuno sagorevanje javlja se u sluĉaju nedovoljne koliĉine vazduha, odnosno kiseonika, ili nedovoljno dobrom „izmešanošću“ uglja i vazduha. Zato tada dim je crn, i ĉaĊavi površine u kontaktu sa njim. Postoje tri osnovna naĉina loţenja uglja u velikim termoenergetskim postrojenjima, prikazanih na slici 4. To su loţenje u sloju (odnosno na rešetki), loţenje u sprašenom stanju, i loţenje u fluidizovanom sloju. Ĉvrsto gorivo kao što je ugalj sastoji se od gorive mase, vlage i pepela, kao što je već spominjano. Sve materije zajedno izdejstvuju prilikom sagorevanja razliĉite osobine i oteţavaju na taj naĉin prouĉavanje procesa sagorevanja. Na ovaj naĉin se stalno menja slika sagorevanja kao rezultanta pojedinih procesa a koji se obavljaju vremenski nezavisno a sa razliĉitim intenzitetom (Perunović 1979).
Slika 4. Naĉini loţenja uglja (http://en.wikipedia.org/wiki/File:Combustion_systems_for_solid_fuels.gif) Loţenje u sloju je najstariji, dobro poznat naĉin sagorevanja uglja, njega karakteriše prolaz vazduha za sagorevanje kroz sloj mirujućeg ili pokretnog sloja ĉvrstog goriva razliĉitog sortimana kojeg napušta u obliku dimnih gasova. Pri tome se postiţe efikasnost sagorevanja koja u velikoj meri zavisi od teţine pojedinih komadića goriva. Nakon Drugog 25
svetskog rata, usled stalnog povećavanja snaga termoenergetskih postrojenja, kotlovi sa loţenjem na rešetki postaju polako prevaziĊene. Rešetke u loţištima su dostigle maksimalne razmere, pa je njihovo daljnje povećanje bilo nemoguće. Prakitĉno, duţina rešetke je ograniĉena na oko 7-8 m, a širina generatora pare je ograniĉena ekonomiĉnim razmeštajem zagrevnih površina pojedinih njegovih elemenata. Pošto se u modernim termoenergetskiim postrojenjima ovaj naĉin loţenja više ne koristi, neće biti daljnjeg zadrţavanja na njemu. U teţnji za daljim povećanjem kapaciteta generatora pare, pristupilo se sagorevanju sprašenog uglja u prostoru. Ukratko, ovaj naĉin se zasniva na tome da se ugalj spraši u mlinovima na izuzetno male ĉestice, preĉnika dosta ispod 1 mm. Zatim se ovako sprašen ugalj meša sa predgrejanim vazduhom i zajedno se uduvava u loţište relativno velikom brzinom gde sagoreva u izuzetno kratkom vremenskom intervalu, bez nagomilavanja na nekoj od površina loţišta. Ovaj naĉin sagorevanja ima znatne prednosti u odnosu na sagorevanju uglja u sloju, od kojih su najvaţnije (Perunović, 1979):
mogućnost postizanja velikih kapaciteta; u prostoru mogu sagorevati lako sve vrste ugljeva; gubici usled nepotpunog sagorevanja su znatno manji; moguće je osetno povišenje temperature zagrejanog vazduha ĉak do 450°C koja je kod rešetaka iznosila najviše do 200°C; sagorevanje u prostoru je elastiĉnije od sagorevanja u sloju, pa se lakše postiţe ravnomernost parametara pare i pri brţim promenama opterećenja;
Sagorevanje u prostoru ima u odnosu na sagorevanje u sloju izvesne nedostatke od kojih su najvaţniji (Perunović, 1979):
za sprašivanje uglja troši se znatna koliĉina energije; sprašivanje prouzrokuje habanje ĉeliĉnih delova mlinskog ureĊaja zbog ĉega se ovi delovi posle izvesnog vremena moraju menjati najveći problem u domenu zaštite ţivotne sredine je što najveći deo mineralnih materija napušta loţište zajedno sa produktima sagorevanja, zbog ĉega je na izlazu iz kotla obavezna ugradnja filtera za pepeo; u većini sluĉajeva je potrebno ugalj pre melevenja sušiti, što zahteba povećanje kotlarnice.
Konstrukcija loţišta pri sagorevanju ugljene prašine se bira u zavisnosti se bira u zavisnosti od vrste i osobina goriva i od veliĉine kotla. Ugljeve sa visokim sadrţajem pepela je podesno sagorevati u loţištima sa suvim reţimom odvoĊenja mineralnih materija. U cilju intenzifikacije procesa sagorevanja goriva koja slabo reaguju i u cilju smanjenja emisija letećeg pepela primenjuju se loţišta sa teĉnim reţimom odvoĊenja mineralnih materija. Pri ovom naĉinu sagorevanja osetno raste gubitak toplote sa teĉnom šljakom, ali zato opada gubitak usled mehaniĉki nepotpunog sagorevanja. Gorionici za ugljenu prašinu se najĉešće postavljaju na uglovima prizmatiĉnog leţišta, ili frontalno na jednom ili dva naspramna zida (Perunović, 1979). U Republici Srbiji sva termoenergetska postrojenja za proizvodnju elektriĉne energije iz uglja imaju loţišta za loţenje uglja u sprašenom stanju, tako da ovakav tip loţenja u interesu istraţivanja ovog rada. Problematika sagorevanja ĉestica ugljenog praha je izuzetno sloţena, i uglavnom same teoretske postavke i rešenja ne mogu dati zadovoljavajuće rezultate s obzirom na izrazitu sloţenost kompleksa problema. Velika paţnja se mora posvetiti eksperimentalnim vrednostima, i rezultatima merenja, kao i bilansiranju supstanci koje uĉestvuju i menjaju se u ovom procesu. 26
Sagorevanje u fluidizovanom sloju je najnovija tehnika sagorevanja koja se koristi sve više u modernim termonergetskim postrojenjima. Fluidizovani sloj predstavlja suspenziju ĉvrstog goriva i inertnog materijala, kao što je kreĉnjak. Kroz ovaj sloj prolaze mlazevi vazduha koji stvaraju turbulentnu mešavinu gasova i ĉvrstih materija. „Kljuĉajuće“ okruţenje koje liĉi na kljuĉajuću teĉnost, stvara efektivnije hemijske reakcije i prenos toplote. Kotlovi sa ovakvim loţenjem su fleksibilniji u odnosu na kotlove sa loţenjem sprašenog uglja, jer se mogu koristiti raznovrsniji komadići uglja, razliĉitijih dimenzija (Perunović, 1979). U Republici Srbiji su ovakva kotlovska postrojenja još uvek u povoju, i u gore spomenutim termoelektranam se ne sagoreva ugalj na ovakav naĉin pa neće biti većeg objašnjavanja ove tehnologije. Kod dimenzionisanja i uopšte modelovanja sagorevanja uglja u sprašenom stanju kompleksnost problema je u tome što je to jedan kompleksan proces, koji se zasniva na poznavanju zakonitosti sagorevanja pojedinaĉne ĉestice ugljenog praha i zakonitosti raspodele po veliĉini polidisperznog skupa ĉestica ugljenog praha. Mogući matematiĉki model sagorevanja skupa ĉestica ugljenog praha zasniva se na nizu jednaĉina (Stojiljković i dr. 2009):
jednaĉine strujanja nosećeg gasovitog fluida (vazduha) za stacionarno turbulentno stanje; jednaĉine kretanja nošenih ĉestica ugljenog praha; jednaĉine difuzije; jednaĉine sagorevanja pojedinaĉne ĉestice ugljenog praha; jednaĉine zakona raspodele ĉestica po veliĉini u skupu; jednaĉine razmene toplote pojedinaĉne ĉestice ugljenog praha; jednaĉine razmene toplote skupa ĉestica ugljenog praha sa okolinom; jednaĉine razmene toplote skupa ĉestica ugljenog praha sa okolinom.
Rešavanje ovog sistema diferencijalnim jednaĉinama u opštem sluĉaju je izuzetno sloţeno a dobijena rešenja uvoĊenjem uprošćenja ne daju uvek zadovoljavajuće rezultate. Velika paţnja je posvećena i eksperimentalnim istraţivanjima. Dok se samo modelovanje sagorevanja ugljenog praha posmatra po sistemu „crne kutije“ gde se posmatraju ulazne vrednosti i pomoću bilansiranja mase i energije po poznatim zakonitostima dobijaju se prognozirane izlazne vrednosti.
3.1
Vremenski tok procesa sagorevanja ugljene čestice
Radi razumevanja i mogućnosti modelovanja sagorevanja uglja u loţištu velikog termoenergetskog postrojenja, nuţno je znati detaljan tok procesa sagorevanja ĉestice uglja u prostoru. Sagorevanje ĉestice ugljenog praha vrlo ĉesto se definiše i ocenjuje vremenom sagorevanja, jednom od polaznih proraĉunskih komponenata prilikom konstruisanja loţišta. Ovo je uslovna podela, i zapravo ovim ĉetiri fenomena u sagorevanju prethodi isparavanje ukupne vlage goriva, grube i higroskopske. Vreme sagorevanja ĉestice uglja deli se dalje na vremenski interval u kojem se odvija homogeno sagorevanje – sagorevanje gorivih isparljivih materija i vremenski interval u kome se odvija heterogeno sagorevanje – sagorevanje koksnog ostatka, kao i deo vremena koje je potrebno za 27
izdvajanje gorivih isparljivih materija i pripremu za njihovo paljenje i sagorevanje (Gulić, 1982). Podelu procesa sagorevanja dali su Babij i Ivanova kojom je celokupan proces izdeljen u ĉetiri faze (Gulić, 1982):
period zakašnjenja paljenja gorivih isparljivih materija; period sagorevanja gorivih isparljivih materija; period zakašnjenja paljenja koksnog ostatka; period sagorevanja koksnog ostatka.
I pored toga što je ovakva podela uslovna, a danas delimiĉno i osporavana, radi daljeg objašnjavana biće zadrţana radi lakšeg izlaganja. Period zakašnjenja paljenja gorivih isparljivih materija karakteriše period devolatilizacije što je u stvari proces termiĉkog razlaganja uglja. Mehanizam izdvajanja volatila je veoma sloţen i za sada potpuno egzaktan opis tog procesa nije moguć. Zbog toga oslanjanje na empirijski dobijene vrednosti je još uvek neophodan. Izdvajanje volatila, definisano brzinom izdvajanja, koliĉinom i sastavom dobijenih produkata moţe se razmatrati uzimajući razne faktore koje jedna vrsta uglja ima. Volatili, kao što je objašnjeno, mogu biti razna organska hemijska jedinjenja, a zavisno od agregatnog stanja mogu biti teĉne (ter tj katran) i gasovite materije. Volatili su u suštini razni ugljovodonici CmHn, ugljenmonoksid, vodonik, sumpor vodonik, ali i negorive supstance kao što su jedinjenja sa azotom, kiseonik i ugljen dioksid. Ipak, najveći deo, oko 80%, volatila ĉine metan, vodonik i ugljenmonoksid. Period sagorevanja gorivih isparljivih materija poĉinje njihovim paljenjem, što kod goriva sa većim sadrţajem gorivih isparljivih materija, kao što su naši ligniti pale se na niţim temperaturama, a koliĉina toplote nastale sagorevanjem gorivih isparljivih materija povišava temperaturu ĉestice ugljenog praha toliko da je moguće kontinualno paljenje i sagorevanje koksnog ostatka. Deo toplote nastao sagorevanjem gorivih isparljivih materija (u odnosu na ukupnu toplotnu moć uglja) iznosi za domaće lignite skoro 40%, još je veći za mrke ugljeve, a primera radi, jedva dostiţe 5% kod antracita. Period zakašnjenja paljenja koksnog ostatka moţe a ne mora da postoji uopšte. Sagorevanjem gorivih isparljivih materija kod ugljeva sa većim sadrţajem volatila nastaje dovoljna koliĉina toplote za paljenje koksnog ostatka, pa ovaj period ni ne postoji. Koksni ostatak sadrţi neisparljiva jedinjenja ugljenika i mineralne materije, tj pepeo. Period sagorevanja koksnog ostatka predstavlja najznaĉajniju fazu sagorevanja ĉestice ugljenog praha, ne samo zato što sagorevanjem koksnog ostatka nastaje najveća koliĉina toplote u odnosu na ostale gorive komponente, već i zato što na vreme sagorevanja koksnog ostatka otpada najveći deo vremena procesa sagorevanja uglja (Gulić, 1982).
28
3.2
Proračunavanje procesa pri sagorevanju čvrstih goriva
U sledećih nekoliko pasusa biće ukratko objašnjeno šta je to modelovanje, njegove metode i ciljevi. Cilj svakog istraţivaĉa, ili bolje reĉeno kolektivnog uma istraţivaĉa u jednoj širokoj oblasti nauke je da matematiĉki opiše procese i da na taj naĉin omogući njihovo predviĊanje, analizu i optimizaciju. Ova aktivnost ima ime matematiĉko modelovanje, i moţe imati razliĉite neposredne ciljeve (Stojiljković, 2001):
Da opiše procese koji su ispitivani u nekom pojedinaĉnom eksperimentu i da na taj naĉin omogući otkrivanje uticaja veliĉina koje u eksperimentu nisu ispitivane, da omogući da se odrede fiziĉko-hemijske osobine koje upravljaju procesima (na primer, brzina odvijanja hemijskih reakcija oksidacije), daju fiziĉko objašnjenje dobijenih rezultata i omoguće predviĊanje procesa u drugim uslovima. Ovi modeli se nazivaju istraţivaĉki modeli Da se opiše skup pojedinaĉnih, ali meĊusobno povezanih, fiziĉkih i hemijskih procesa koji se istovremeno odigravaju u posmatranoj sredini, i na taj naĉin otkrije meĊusobnu povezanost, uticaj i znaĉaj pojedinih procesa. Ova vrsta modela predstavlja osnovu i prvi korak ka postavljanju modela koji treba da posluţe u praktiĉne inţenjerske svrhe, za proraĉun i projektovanje realnih postrojenja. Iz toga sledi da će se ovakva vrsta matematiĉkog modelovanja koristiti i u ovom radu. Da u celosti opišu sve bitne procese jednog postrojenja, omoguće korišćenje znanja, eksperimentalnih podataka i korelacija dobijenih na eksperimentima manjih razmera pri proraĉunu i projektovanju realnih postrojenja, i konaĉno posluţe kao svakodnevni inţenjerski alat, za proraĉun realnih postrojenja i njhovih reţimskih i eksploatacionih veliĉina. Poseban tip ovih modela namenjen je regulaciji i promeni snage – odnosno voĊenju pogona postrojenja.
Prve dve vrste modela pored istraţivaĉkog i obrazovni karakter i znaĉajno doprinose razvoju i sticanju osnovnih znanja o ispitivanim pojavama. Razvojem i korišćenjem ovakvih modela istraţivaĉi i inţenjeri se obuĉavaju da logiĉno fiziĉki i hemijski razmišljaju i uoĉavaju povezanost mnogobrojnih procesa koji se u realnim postrojenjima odigravaju. Te vrste modela razvijaju se uglavnom na univerzitetima i u nauĉnim radovima, u ĉiju kategoriju ulazi i ovaj rad sa svojom tematikom. Za razvoj treće vrste modela univerziteti uglavnom i instituti obiĉno nemaju dovoljno sredstava a ni interesa, da samostalno razvijaju ove velike i kompleksne projekte. Prilikom postavljanja i razvoja modela mora se voditi raĉuna i o mogućnosti neposredne provere. Mogućnost neposredne provere modela ĉesto je i ograniĉavajući faktor pri izradi modela, i utiĉe na naĉin razrešavanja mnogih dilema. Modeli prve grupe mogu se proveravati na malim, ĉesto sitnim eksperimentima, koji se tako organizuju da se omogući ispitivanje samo jedne pojave, i uticaj nekoliko karakteristiĉnih veliĉina. Modeli druge grupe mogu se proveriti na osnovu rezultata ispitivanja sagorevanja goriva u eksperimentalnim loţištima i pilot postrojenjima jednostavnije geometrije i uprošćene konstrukcije, koja omogućavaju merenje lokalnih veliĉina, ili već na dobijenim vrednostima dobijenih već obavljenim merenjima. Modeli treće grupe proveravaju se kao i modeli druge grupe, ali njihova konaĉna provera se mora vršiti uporeĊivanje sa rezultatima ispitivanja demonstracionih i probnih industrijskih postrojenja u pogonu, najĉešće merenjem integralnih pogonskih parametara. 29
Ipak osnovu svakog modela moraju ĉiniti podmodeli, prethodno detaljno provereni na laboratorijskim eksperimentima (Stojiljković, 2001).
3.3
Opis proračuna
Proraĉuni sagorevanja obuhvataju materijalne i energetske bilanse, što podrazumeva izraĉunavanje potrebne koliĉine vazduha za sagorevanje, koliĉine i sastave produkata sagorevanja, temperature sagorevanja, i koeficijenta iskorišćenja goriva. Stvarni procesi sagorevanja se odigravaju u sloţenim uslovima prenosa mase i toplote, ali u ovim proraĉunima sagorevanja se, u cilju uprošćenja, usvaja da je gorivu potpuno izmešano sa vazduhom, i da se proces odvija adijabatski. Ova usvajanja ĉine proraĉune mnogo prostijim i omogućavaju izraĉunavanje gornje granice efikasnosti sagorevanja, dok je realna efikasnost sagorevanja manja za nekoliko procenata od ove vrednosti. TakoĊe, u proraĉunima se obiĉno usvaja da je sagorevanje uvek potpuno ako je koliĉina kiseonika dovedena u proces veća ili najmanje jednaka minimalnoj potrebnoj koliĉini kiseonika za potpuno sagorevanje. U praksi se dešava da jedan vrlo mali procenat 0,5-1%) uglja, odnosno koksnog ostatka, ne biva sagoreno. Vredno je pomena i da ovaj model proraĉunava rad kotla u kada je sagoreva gorivo u stacionarnom reţimu, kao i da su produkti sagorevanja i vazduh koji se uzima iz atmosfere usvojeni kao idealni gasovi. Još jedan termin koji je bitan za ovaj rad je koeficijent viška vazduha. Kada se raĉuna teorijsko sagorevanje goriva, uvek se posmatra da je sagorevanje savršeno i da se u kontakt sa gorivom dovodi samo onoliko vazduha, odnosno kiseonika koliko je potrebno da se gorivo u potpunosti sagori i oksiduje. U praksi ovo je nemoguće, zbog nesavršenosti mešanja goriva sa vazduhom, pa je nuţno gorivu dovesti „višak vazduha“ radi poboljšavanja stepena potpunosti sagorevanja, a koje je u modernim kotlovima koji loţe ugalj u sprašenom stanju oko 99-99,5 %. Taj višak vazduha se obeleţava sa λ, i raĉuna se na sledeći naĉin: (5) gde su: L – stvarna koliĉina vazduha u loţištu Lmin – minimalna koliĉina vazduha za potpuno sagorevanje Kod loţišta sa loţenjem sprašenog uglja, ovaj višak vazduha je u intervalu 1,2-1,4 Hemijske reakcije koje se odvijaju u procesima sagorevanja protiĉu preko sloţenih i ĉesto nepoznatih mehanizama. MeĊutim, za proraĉune materijalnih bilansa potrebno je samo poznavanje poĉetnog i krajnjeg stanja. Osnovni zadatak stehiometrijskih proraĉuna procesa sagorevanja je postavljanje taĉno i na jednostavan naĉin stehiometrijskih odnosa za elemente koji sagorevaju u gorivu. Tip modela odnosno proraĉuna sagorevanja goriva koji se u ovom radu koristi u literaturi ima naziv „Klasiĉan stehiometrijski proraĉun ĉvrstog goriva“ (Joksimović-Tjapkin, 1981), a izraĉunavanje teorijske temperature sagorevanja posmatranog uglja se dobija bilansiranjem zapreminskih entalpija. Iako je primarna svrha proraĉuna sagorevanja uglja 30
toplotni proraĉun kotla, u ovom radu je svrha proraĉuna zapravo analiziranje i dimenzionisanje dimnih gasova. Ovaj metod proraĉuna ima neke empirijski dobijene vrednosti, ali se i zasniva na primeni Avogadrovog zakona, prema kome se u odreĊenoj zapremini pri istom pritisku i temperaturi nalazi uvek isti broj molekula idealnog gasa. Osnova ovog zakona proizilazi da specifiĉna teţina idealnih gasova odgovara njihovim molekulskim masama. Za proraĉun sagorevanja metod nalik ovom je zapravo poznat već dugo vremena, i za glavnu manu ima to što ne uzima u obzir nastajanje azotovih oksida prilikom procesa sagorevanja. Naime, ova pojava je znatno kompleksija nego što je ovaj model, a takoĊe, ovaj model je nastao u vreme kada je ipak toplotni uĉinak goriva bio daleko bitniji od bilo kakvih nastajanja štetnih gasova. Nastajanje sumporovih oksida je delimiĉno opisano i definisano, jer je mehanizam njihovog nastajanja poznatiji i jednostavniji. Ipak, nastanak SO3 nije definisano, jer je njegovo nastajanje nešto kompleksnije, a i zato ipak od ukupnih emisija sumporovih oksida SO2, koji je i obuhvaćen, predstavlja 90% emisija. TakoĊe, u ovom proraĉunu su zanemarene energija i produkti visokotemperaturskih transformacija mineralnih materija iz uglja, jer je ona za osnovne inţenjerske proraĉune nebitna, i kao i proraĉun azotovih oksida, nije smatrana za pojavom vrednom posmatranja. Uticaj tih mineralnih materija na ţivotnu sredinu tek je kasnije shvaćen. Ono što je novina, je to što autor pokušava da u ovaj model integriše i proraĉuna i emisiju pepela uzimajući u obzir konstrukciju loţišta. TakoĊe je pokušano da se napravi veza izmeĊu ovog proraĉuna i funkcije nastajanja azotovih oksida sagorevanjem uglja u velikim termoenergetskim kotlovima. Uz proraĉunatu teorijsku temperaturu sagorevanja u loţištu u koju je uraĉunato smanjenje temperature zbog viška vazduha, moţe se naći zavisnost i teoretski odrediti koliĉina azotovih oksida. TakoĊe, dodatno je odreĊena proraĉunska emisija dimnih gasova nakon prolaska sirovog dimnog gasa kroz elektrostatiĉki filter. Kada je u pitanju raĉunsko odreĊivanje koncentracije azotovih oksida u dimnom gasu, u našoj literaturi se takva tematika još uvek retko sreće. U literaturi na engleskom jeziku se nalazi više informacija o ovom problemu, ali se ipak teško moţe naći neka pojednostavljena zavisnost nastajanja NOX od uslova u loţištu. Jedina primenljiva takva zavisnost koja se tiĉe lignita (Stojiljković, 2001) je i primenjena u ovom radu. Ovaj model iako je baziĉan i generiĉan u današnje vreme, je ipak uzet u cilju pojednostavljenja ovog inaĉe vrlo kompleksnog problema, i pribliţavanja ga inţenjerima koji su nešto manje upućeni u ovu problematiku. Tako su neke od komponenata sistema idealizovane i pretpostavljene da rade uvek u ustaljenom reţimu, bez promena i nestacionarnih stanja, što nije sluĉaj u stvarnosti. Ovaj metod proraĉuna se sastoji od uslovno reĉeno od tri dela:
odreĊivanje koliĉine kiseonika, odnosno vazduha za sagorevanje odreĊivanje koliĉine ukupne koliĉine produkata sagorevanja i koliĉine pojedinaĉnih produkata sagorevanja odreĊivanje teorijske temperature sagorevanja (nestehiometrijske, odnosno uzimajući u obzir višak vazduha) A autor ovog rada je povezao proraĉun na naĉin na koji je gore objašnjen i dodao mu
još i:
odreĊivanje koliĉine emitovanih azotovih oksida u zavisnosti od temperature koje gorivo razvija u loţištu 31
odreĊivanje koliĉine emitovanog pepela, kako u sirovom dimnom gasu, tako i u obraĊenom, odnosno nakon napuštanja elektrofiltera
Ova istraţivanja su izvršena sa cljem da se omogući dovijanje neophodnih podataka o domaćim lignitima u primeni modela sagorevanja uglja i obrazovanja produkata sagorevanja, i da se proceni taĉnost primene ovog, već dugo postojećeg modela, koji se koristi za više vrsta ugljeva i goriva.
32
4
MATEMATIČKI MODEL I PRORAČUN NASTANKA ŠTETNIH GASOVA SAGOREVANJEM UGLJA
U ovom delu rada, raĉunski će se dimenzionisati stacionarni proces sagorevanja domaćeg lignita u domaćoj termoelektrani, i zatim, izraziti funkcija ulaznih promenljivih (tj maseni udela supstanci u uglju). Da bi proces sagorevanja detaljno prouĉili, potrebno je obezbediti i podatke hemijske analize goriva o ĉemu je bilo reĉi u prvom poglavlju. Kako je sagorevanje burna oksidacija, odnosno hemijkso vezivanje goriva sa kiseonikom iz vazduha, mora se znati i sastav atmosferskog vazduha iz koga se koristi kiseonik za sagorevanje. Atmosferski vazduh sadrţi 21% zapreminski kiseonika i 79% azota, a izraţeno u masenim procentima obuhvata 23% kiseonika i 77% azota. Za potrebe inţenjerskih proraĉuna zanemarujemo gasove koji se nalaze u malim, praktiĉno zanemarljivim zapreminskim procentima, a to su argon (0,9%), ugljendioksid (0,038%), a zanemaruje se i vlaga u vazduhu. TakoĊe veoma mala koliĉina azota iz vazduha se oksiduje kako bi stvorila azotove okside, ali oni zapreminski gledano, predstavljaju zanemarljivu transformaciju. Ipak, kao što je poznato, oni predstavljaju znaĉajnu pretnju ţivotnoj sredini, ali autor ovog dela njih pokušava dimenzionisati prema već objašnjenom naĉinu, a ne preko stehiometrijskih proraĉuna. Da bi se dobila normalna koliĉina vazduha za sagorevanje nekog goriva, mora se naći naći minimalna koliĉina vazduha za 1 kg goriva, uz pomoć njegovog hemijskog sastava. Obiĉno je hemijskom analizom prethodno utvrĊen sastav goriva i njegovi elementi. Da bi odredili teoretsku koliĉinu vazduha (Lmin) za 1 kg goriva, potrebno je odrediti koliĉinu kiseonika dovoljnu za potpuno sagorevanje svakog gorivog elementa posmatranog goriva. Imamo kolubarski ugalj sa elementarnim sastavom (Stojiljković, 2001): C=45,4% H=5,45% O=16,36% N=0,5% S=0,82% W=19,68% A=11,99% Hd=15820 kJ/kg Ovaj ugalj sagoreva u kotlu termoelektrane sa viškom vazduha λ=1,2 (karakteristiĉno za loţišta za sprašeni ugalj). TakoĊe udeo sumpora koji je naveden predstavlja gorljivi sumpor. Pretpostavićemo da je ugalj pre sagorevanja osušen, i sprašen, tako da je svu grubu vlagu izgubio, i da mu je ostala samo higroskopska vlaga, što se i odraţava na povišenje donje toplotne moći. 33
Sagorive materije obuhvaćene ovim proraĉunom su ugljenik, vodonik, i sagorivi sumpor, i one sagorevaju putem sledećih reakcija (pretpostavlja se, da sve materije potpuno sagorevaju, kao što je spomenuto): Za ugljenik: (7) Odnosno izraţeno u kilogramima ili molima: (8) (9) Za vodonik: (10) Odnosno izraţeno u kilogramima ili molima: (11) (12) Za sumpor: (13) Odnosno izraţeno u kilogramima ili molima: (14)
1
4.1
(15)
Glavni deo proračuna
Pošto se ugalj najĉešće raĉuna u masi, tj u kilogramima ili tonama, masene udele ćemo pretvoriti u bezdimenzione odnose kilograma pojedinaĉne supstance u kilogramu goriva, koje ćemo obeleţiti malim slovima, za razliku od procentualnih masenih udela koji su velikim slovima: c=0,454
h=0,0545
o=0,1636
n=0,005
s=0,0082
w=0,1968
Nakon ovoga, iz ovih reakcija se dobija osnovna formula za odreĊivanje molarne minimalne koliĉine kiseonika za sagorevanje, u koju se dalje ubacuju bezdimenzioni maseni udeli elemenata goriva koje se sagoreva, a time se i dobija ova koliĉina izraţena u kilomolima kiseonika po kilogramu goriva (primetimo da udeo kiseonika unutar goriva smanjuje teoretsku minimalnu koliĉinu kiseonika iz vazduha, kao i da pretpostavljamo da sav sumpor u gorivu moţe da sagori u sumpordioksid): (16) 34
Zatim se ova vrednost mnoţi za standardnu zapreminu jednog mola gasa koja je 22,414 m3/kmol na temperaturi od 0°C i pri pritisku od 101,325 kPa. Tako bi se dobila potrebna zapremina kiseonika za sagorevanje kilograma goriva: (17) Nakon što je ova vrednost dobijena, moramo izraĉunati minimalnu zapreminu vazduha koja je potrebna za sagorevanje, znajući zapreminski udeo kiseonika u vazduhu (20,9%) i deleći time zapreminu kiseonika. Tako bi se dobila potrebna zapremina vazduha za sagorevanje kilograma goriva: (18) Zatim se moţe odrediti i stvarna zapremina vazduha za sagorevanje, mnoţeći minimalnu zapreminu vazduha za sagorevanje sa koeficijentom viška vazduha λ. Tako bi se dobila realna zapremina vazduha za sagorevanje kilograma goriva: (19) Ukupna koliĉina produkata sagorevanja se onda odreĊuje, i to sa poznatim koeficijentima odnosa u reakcijama oksidacije u odnosu „kilogrami elemenata gorivakubnim metri produkata sagorevanja“. Ĉetvrti sabirak predstavlja azot koje (usvojeno) inertan u celom ovom procesu. Za vlagu u gorivu postoji predposlednji sabirak je obrazac prema kojem se odreĊuje koliko kubnih metara vodene pare nastaje od te vlage, a poslednji sabirak je obrazac koji prosto dodaje kiseonik koji je unešen u loţište kao višak vazduha. Tako dobijamo i ovu vrednost: (20)
Nakon ovoga moţemo rašĉlaniti ove produkte sagorevanja na njihove elemente i time izraĉunati zapremine pojedinih komponenti u produktima sagorevanja. Kao što je već pomenuto, ovaj model ne predviĊa nastajanje azotovih oksida, i nastajanje letećeg pepela, kao ni sumportrioksida, tako da su sledeće komponente dimnog gasa odreĊene: (21) (22) (23) (24) (25) Pri ĉemu je: , odnosno
∑
(26) 35
Sada moţemo i izraĉunati procentualni sastav produkata sagorevanja, tako što ćemo zapreminu posmatrane komponente podeliti sa ukupnom zapreminom produkata sagorevanja, i pomnoţiti sa sto posto: (27) (28) (29) (30) (31) Mnogi propisi za zaštitu ţivotne sredine se sastoje od graniĉne vrednosti emisija zagaĊujućih materija u dimnim gasovima i definišu referentne uslove koji se primenjuju na te dimne gasove. Na primer jedna takva odredba je i graniĉna vrednost emisije sumpordioksida od 2000 mg/m3, ili u dimnom gasu preraĉunatom na O°C i pod pritiskom od 1013 mbar, a sadrţaj kiseonika u jedinici zapremine otpadnog gasa u zavisnosti od vrste loţišta treba da iznosi od 3 do 11%. (Pravilnik o graniĉnim vrednostima emisije, naĉinu i rokovima merenja i evidentiranja podataka.). TakoĊe mnogi propisi za zaštitu ţivotne sredine predviĊaju predstavljanje „suvih“ produkata sagorevanja, što znaĉi da se izuzme vodena para iz produkata sagorevanja, i procentualno predstave produkti sagorevanja „svedeni“ na „suvu“ zapreminu dimnog gasa. Pre uporeĊivanja i analize rezultata Instrumenti koji se koriste za merenje sastava dimnih gasova obiĉno imaju sistem za kondenzovanje pare, pa tako prikazuju sastav „suvih“ dimnih gasova, a to su u stvari dimni gasovi sa oduzetom vodenom parom nastalom sagorevanjem vodonika u gorivu. U našem proraĉunu, zapremina produkata sagorevanja je već svedena na atmosferski pritisak i datu temperaturu što se vidi mnoţenjem koliĉine u molima sa „22,414 m 3/mol“ a to predstavlja upravo zapreminu jednog mola gasa pri normalnim uslovima za gas (0°C i 1013 mbar). Prvo ćemo korigovati dobijene rezultate dimnog gasa na suvu zapreminu dimnog gasa tako što ćemo od dimnog gasa oduzeti vlagu : (32)
A zatim ponovo izraĉunati procentualne zapreminske udele materija u suvom dimnom gasu: (33) (34) (35) (36) 36
Od ovih supstanci, SO2 se najĉešće ne prikazuje u procentima, nego u miligramima sumpordioksida po metru kubnog dimnog gasa. Da bi mogli prebaciti ove udele u miligrame moramo uzeti u obzir i temperaturu gasa, gustinu sumpordioksida i pritisak. Postoji obrazac preko kojeg se onih 0,099% sumpordioksida u dimnom gasu moţe pretvoriti u masenu koncentraciju: (37) gde je: M – molarna masa sumpordioksida Ova vrednost moţe delovati visoka, ali za to postoji objašnjenje, a to je da novija istraţivanja pokazuju da se jedan deo sumpordioksida vezuje u pepelu, prema mehanizmu koji će biti objašnjen u diskusiji. Zato realna merenja mogu pokazati manju koncentraciju sumpordioksida od proraĉunate.
4.2
UtvrĎivanje temperature u loţištu i nivoa emisije NOX
Nakon utvrĊivanja ovih vrednosti, moţe se utvrditi temperatura koja vlada u loţištu, preko koje moţemo proceniti i koliĉinu azotnih oksida. S obzirom da je entalpija vazduha mala, i varira u zavisnosti od vlage i temperature (0 kJ/kg sa 90% vlaţnosti i -7°C, a moţe biti i 100 kJ/kg sa 70% vlaţnosti i 35°C) ova vrednost se u ovom koraku toplotnog bilansa zanemaruje. U ovom koraku će se odrediti teorijsku temperaturu u loţištu, bez toplotnih gubitaka. Moţe se prema ovim usvajanjima postaviti i jednaĉina energetskog bilansa koja na levoj strani predstavlja toplotnu moć goriva, a na desnoj proizvod zapremine produkata sagorevanja i zapreminske entalpije tih gasova: ∑
(38)
Zapreminske entalpije zavise od temperature, a ona je upravo i nepoznata vrednost u ovoj jednaĉini. Naĉin menjanja entalpije dimnih gasova je predstavljen u tabeli 9: Tabela 9. Model menjanja entalpije dimnih gasova (Joksimović-Tjapkin, 1981) Gas Model menjanja entalpije CO2 -714490,9+2133,22T+0,1318T2 H2O -472985,63+1521,87T+0,017709T2 SO2 -675390,38+2179,93T+0,091188T2 N2
-462202,2+1453,8T+0,042058T2
O2
-337041,13+1176,95T+0,211301T2
Uprošćavanjem ove jednaĉine dobija se jednostavna kvadratna jednaĉina tipa ax2+bx+c=0 (neće biti ovde napisan proces uprošćavanja, jer je preobiman, a i nepotreban, jer se ova vrednost danas dobija raĉunskim softverom). Ova kvadratna jednaĉina se rešava prema poznatom obrascu, gde se dobijaju dva rešenja: 37
od kojih je jedno negativno i nemoguće, pa se ono odbacuje, pa se dobija da teorijska temperatura iznosi 1808,53 °C. Ovu vrednost bi trebalo malo korigovati, ukoliko se uzme gubitak kotla usled difuzije toplote u okolinu, i gubici usled usisavanja „falš“ vazduha kroz zazore i sliĉne male otvore u kotao. TakoĊe postoje toplotni gubici usled neustaljenosti procesa sagorevanja, i izmene viška vazduha usled nemogućnosti potpunog podešavanja rada kotla u skladu sa lignitom promenljivog sastava i kvaliteta. TakoĊe se javljaju mali gubici zbog toga postoji i vlaga u vazduhu. Ove pojave izazivaju gubitke µgub koji se mogu prikazati kao odreĊeni procenat ukupne toplote koju gorivo pruţa. Njih u našem sluĉaju moţemo aproksimirati na 10%. Tako ćemo je uvrstiti u jednaĉinu: ∑
(39)
odnosno, kad se sredi: ∑
(40)
Tako se onda dobija realnija temperatura sagorevanja od oko 1674 °C. Kada smo ovo utvrdili, moţemo pristupiti proceni koncentracije NOX prema zavisnosti emisije NOX (predstavljena kao NO2) od temperature pri sagorevanju uglja, prema Stojiljkovićevoj (2001). U njemu su osrednjene promene koncentracije NOX kako i uopštene koncentracije tako i koncentracije u zavisnosti od porekla. Iako intenzitet promena koncentracije gorivog NOX zavisi od sadrţaja azota u uglju, a intenzitet promena promptnog NOX zavisi od koliĉine i vrste ugljeniĉnih jedinjenja, ove promene koncentracije su osrednjene za sluĉaj sagorevanja domaćeg uglja. U nastavku je prikazan osnov za proraĉun, na slici 5:
38
Slika 5. Struktura i koncentracija emisije NOX (predstavljena kao NO2) od temperature pri sagorevanju uglja (Stojilković, 2001) Iz ove slike se moţe uvideti i koncentracija NOx u dimnom gasu u zavisnosti od temperature loţišta, što je prikazano u tabeli 10. Tabela 10. Koncentracija azotovih oksida u dimnom gasu Temperatura loţišta Gorivi NOX Termiĉki NOX Promptni NOX Ukupni NOX 1674 °C
950 mg/m3 550 mg/m3
60 mg/m3
1560 mg/m3
Ovaj grafikon je namenjen za procenu koncentracije azotnih oksida u suvom dimnom gasu, tako da nije nuţno korigovati dobijene vrednosti.
4.3
OdreĎivanje koncentracije letećeg pepela
U smislu ovog proraĉuna, pretpostavićemo da se radi o termoenergetskom postrojenju koje ima kotao sa loţenjem uglja u sprašenom stanju, i da je suvo odvoĊenje pepela sa dna kotla. Ovo je u našim termoelektranama praktiĉno najĉešći tip kotla, a karakteristiĉan je za period gradnje termoelektrana od šezdesetih do osamdesetih godina prošlog veka. Jedna od nepovoljnih stvari kod ovog kotla je to da izuzetno velik procenat (u većini sluĉajeva 80%) pepela ne uspeva da se „slegne“ na dno loţišta, nego zbog svoje 39
lakoće odlazi sa strujom vrelih dimnih gasova prema dimnjaku. Samo teţe ĉestice pepela, oko 20% od ukupnih mineralnih materija se sleţu i odvode pneumatski iz loţišta, što je i detaljnije opisano u prvoj glavi. Prikazivanje letećeg pepela se takoĊe obiĉno prikazuje u miligramima pepela po metru kubnog dimnog gasa. U proraĉunu na poĉetku ove glave je izraĉunata ukupna zapremina dimnih gasova pri sagorevanju kilograma posmatranog uglja. Zapremina dimnih gasova je:
Postavlja se pitanje da li uzeti u obzir i zapreminu letećeg pepela kako bi se dobila „realnija“ zapremina produkata sagorevanja. Da bi se to utvrdilo, moramo pronaći zapreminu tog letećeg pepela. Za pronalaţenje zapremine koristićemo obrazac: (41) gde je: ρpep – gustina pepela gde se masa pepela izraţava preko udela pepela u uglju na sledeći naĉin:
a pošto je u našem sluĉaju za proraĉun uzeta masa od jednog kilograma uglja, sledi da je:
Gustina pepela nam nije poznata još uvek, ali je moţemo izraĉunati preko sledeće formule, poznavajući gustine i masene udele pojedinih komponenti u pepelu: ∑
(42)
gde su: wn – maseni udeo komponente u pepelu, ρn – gustina komponente pepela. U tabeli 11. se vidi proseĉan sastav elektrofilterskog pepela iz TENT A (koja troši posmatrani ugalj), sa gustinama komponenti: Tabela 11. Srednji hemijski sastav EF pepela iz TENT A na osnovu 59 uzoraka od 1983. do 2004. godine sa gustinama komponenti (Bašĉarević i dr.) Komponenta
Mas.udeo (%)
Gustina (kg/m3)
SiO2
53,80
2648
Al2O3
20,72
4100
Fe2O3
7,23
5242 40
CaO
8,74
3350
MgO
2,64
3580
ostalo
6,87
-
Pošto je krajnje nepraktiĉno izraĉunati gustinu ove smeše uzimajući u obzir sve komponente, komponente grupisane u poslednju stavku, „ostalo“ moţemo zanemariti, a to će zanemarljivo uticati na ovaj proraĉun. Ukoliko ovo uradimo, moramo preraĉunati ostale komponente kako bi zbir masenih udela i dalje ostao 100%. Rezultati, odnosno novi, korigovani sastav pepela je prikazan u tabeli 12: Tabela 12. Korigovani srednji hemijski sastav EF pepela iz TENT A Komponenta
Mas.udeo (%)
Gustina (kg/m3)
SiO2
57,77
2648
Al2O3
22,25
4100
Fe2O3
7,76
5242
CaO
9,38
3350
MgO
2,83
3580
Sada moţemo i izraĉunati gustinu smeše pepela prema navedenom obrascu:
Pa nakon toga moţemo izraĉunati i zapreminu pepela dobijenog sagorevanjem kilograma posmatranog uglja: (42) Iz ovoga se vidi da pepeo u odnosu na prethodno izraĉunatu zapreminu dimnog gasa (koji je zapremine 6,66 m3) ima zanemarljivu zapreminu pa se ona zanemaruje u ukupnoj sumi zapremina komponenata dimnog gasa. Nakon rasvetljavanja ovog problema, moţemo i odrediti koncentraciju pepela u sirovom dimnom gasu. Masa pepela koja odlazi sa vrelim dimnim gasovima je: A kada to podelimo sa zapreminom dimnih gasova i umesto kilograma pepela stavimo 106 mg dobićemo i koncentraciju pepela u produktima sagorevanja u jedinici mg/m3: (43) MeĊutim kao i za ostale vrednosti, bitno je proraĉunati koncentraciju zagaĊujuće materije u suvom dimnom gasu, tako da je u stvari koncentracija u suvom dimnom gasu:
41
Iako je ova vrednost dosta visoka, to nije ipak ništa iznenaĊujuće jer ovaj sirovi dimni gas mora da proĊe kroz sistem elektrofiltera pre nego što biva ispušten u atmosferu.
4.4
Rekapitulacija rezultata proračuna
U tabeli 13. sledi rekapitulacija proraĉunatih vrednosti suvog dimnog gasa na izlasku iz loţišta kotla, a pre ulaska u elektrofilter. Tabela 13. Proraĉunate vrednosti elemenata suvih produkata sagorevanja na izlasku iz loţišta Materija
Zapreminski udeli (%)
CO2
14,601
N2
81,684
O2
3,616 Maseno zapreminske konc. (mg/m3)
SO2
2827
NOX kao NO2 1560 Leteći pepeo
16523
Kako je kod prikazivanja vrednosti emisija iz industrijskih loţišta po Pravilniku o graniĉnim vrednostima emisija neophodno preraĉunati gornje parametre za sluĉaj referentnog sadrţaja kiseonika u jedinici zapremine otpadnog gasa na 6% (za loţišta na ugljenu prašinu sa suvim odvoĊenjem pepela), dolazi do korekcije parametara. Vrednosti se preraĉunavaju prema sledećem obrascu (Chakraborty, 2007): (44) gde su: xr – korigovana koncetracija u suvom dimnom gasu uzimajući u obzir referenti sadrţaj O2 u gasu xm – izmerena koncentracija u suvom dimnom gasu r – referentni zapreminski udeo kiseonika m – izmereni zapreminski udeo kiseonika Kada ubacimo u ovaj obrazac vrednosti r i m za naš sluĉaj dobijamo: (45) Sada moţemo prikazati korigovane vrednosti maseno zapreminskih koncentracija: Tabela 14. Korigovane vrednosti elemenata suvih produkata sagorevanja na izlasku iz loţišta 42
Materija
Maseno zapreminske konc. (mg/m3)
SO2
2439
NOX kao NO2 1346 Leteći pepeo
14259
PoreĊenja radi, biće prikazana i tabela 15. koja je iz Pravilnika o graniĉnim vrednostima emisije (GVE): Tabela 15. GVE za loţišta na ugalj (Pravilnik o graniĉnim vrednostima emisije, naĉinu i rokovima merenja i evidentiranja podataka) Toplotna snaga loţišta (MW) 1-50
50-300
>300
GVE (mg/m3)
GVE (mg/m3)
GVE (mg/m3)
Praškaste materije
150
100
50
Ugljen monoksid - CO
250
250
250
Sumporni oksidi izraţeni kao SO2
2000
1450
650
Azotni oksidi izraţeni kao NO2
1.000
800
450
Gasovita neorganska jedinjenja fluora izraţena kao HF
30
30
15
200
100
Vrsta materije
Gasovita neorganska jedinjenja hlora izraţena kao 200 HCl
Prema ovome vidimo da parametri produkata sagorevanja, odnosno vrednosti koncentracija SO2 i NO2 iz ovog proraĉuna prevazilaze graniĉne vrednosti emisije prema ovom pravilniku. Najveći broj energetskih loţišta na ugalj u Republici Srbiji ima toplotnu snagu od oko 100-250 MW, a za njih je graniĉna vrednost emisije praškastih materija 100 mg/m 3. Da bi bio zadovoljen ovaj standard, elektrofilter mora da ima koeficijent korisnog dejstva koji ćemo dobiti preko sledeće jednaĉine: (46) gde su: xAEF – koncentracija praškastih materija nakon izlaska iz elektrofiltera xA – koncentracija praškastih materija pre ulaska u elektrofilter Moderni elektrofilteri imaju nazivni koeficijent korisnog dejstva od oko 99,8%, pa i više. MeĊutim njegov koeficijent korisnog dejstva opada tokom godina i oni ne mogu bez nadograĊivanja uspeti da postignu trenutno vaţeća pravila o emisijama praškastih materija. Koeficijenti korisnog dejstva starih elektrofiltera je obiĉno oko 90-93% što je u 43
kontrastu sa dizajniranim koeficijentom od 99,8%. Jeftino, a dobro rešenje je da se stavi novi, dodatni elektrofilter koeficijenta korisnog dejstva u opsegu od 94-98%. Tada ukupni koeficijent korisnog dejstva sistema elektrofiltera će biti iznad 99.8% što je sasvim dovoljno za sadašnje emisione standarde.
44
5 POREĐENJE MATEMATIČKE METODE PRORAČUNA SA IZMERENIM VREDNOSTIMA SASTAVA PRODUKATA SAGOREVANJA Iako je dobijanje izveštaja o rezultatima merenja emisija štetnih i opasnih materija od preduzeća koja upravljaju termoelektranama priliĉno teţak zadatak, autor je uspeo da pribavi jedan ovakav izveštaj. Inaĉe, ovakve stvari prema Arhuskoj konvenciji (ĉija je Republika Srbija potpisnica) stavljene u javni domen. U toku izrade rada, autor je dobio podršku od nastavnog osoblja fakulteta i kontaktirano je i Poslovno društvo "Termoelektrane Nikola Tesla". Namera je bila da ovo privredno društvo ustupi Izveštaj o rezultatima merenja emisija štetnih i opasnih materija i rezultate internih merenja emisija polutanata u vazduh. Naime, izmeĊu ostalog, prema „Pravilniku o graniĉnim vrednostima emisije, naĉinu i rokovima merenja i evidentiranja podataka“ ova preduzeća su u obavezi da dostavljaju redovne izveštaj o rezultatima merenja emisija štetnih i opasnih materija nadleţnom ministarstvu. Ovi podaci su bili od velike dragocenosti pri izradi ovog rada, kako bi se u potpunosti mogla uporediti ova metoda proraĉuna sa eksperimentalnim merenjima. U naposletku sledi nekoliko primera poreĊenja ove matematiĉke metode sa praktiĉnim merenjima procesa sagorevanja i analizom produkata sagorevanja.
5.1
PoreĎenje 1
Ovakva analiza je odabrana iz nauĉnog rada koji se bavi problematikom emisija sumpordioksida u TE Kostolac B (Stojiljković, 2001). Sastav uglja koji je uzet kao pogonsko gorivo za ovu analizu je sledeći: C=22,1%
S=1,13%
H=2,1%
W=40,33%
O=8,9%
A=23,66%
N=0,8% Ovaj ugalj sagoreva u kotlu termoelektrane sa viškom vazduha λ=1,6. Udeo sumpora koji je naveden predstavlja ukupni sumpor, ali je u nauĉnom radu navedeno da je sumpor koji sagoreva i emituje se kao sumpordioksid 90% ove vrednosti. Izmerene vrednosti koncentracije SO2 u dimnom gasu kreću se u opsegu od 50007000 mg/mn3, a referentna vrednost koja je uzeta za ovaj proraĉun je 6590 mg/m n3 (Elektroprivreda Republike Srpske, podaci). Ova koncentracija je već korigovana na udeo kiseonika od 6% u suvom dimnom gasu. Sada se mogu uporediti ovi rezultati sa matematiĉkim modelom izraĉunavanja koncentracija sumpordioksida iz prethodne glave ovog rada. Kada stavimo gore navedene poĉetne vrednosti u matematiĉki model, izlazne vrednosti su (biće prikazane samo relevantne vrednosti):
45
Moţe se uporediti dobijena vrednost sa vrednošću iz nauĉnog rada i procentualno prikazati grešku izmeĊu proraĉunate vrednosti i eksperimentalne vrednosti: |
|
(47)
gde su: xizm – izmerena vrednost koncentracije xpror – proraĉunata vrednost koncentracije
5.2
PoreĎenje 2
Na isti naĉin se uporeĊuje i eksperimentalna merenja iz TE Ugljevik koja se nalazi u Bosni i Hercegovini. Ova termoelektrana je poznata po tome što ima praktiĉno najveće emisije sumpordioksida u odnosu na ostale termoelektrane u celoj bivšoj Jugoslaviji. Sastav uglja koji je uzet kao pogonsko gorivo za ovu analizu je sledeći: C=31,96 %
S=5,5 %
H=6,79 %
W=25,70 %
O=4,02 %
A=23 %
N=3,02 % Pretpostavićemo da ovaj ugalj sagoreva pri višku vazduha λ=1,2 i da je stepen emisije sumpora 0,9. S obzirom na visok sadrţaj sumpora u uglju više puta je pravljena procena emisije sumpordioksida u ovoj elektrani. Emisija SO2 i NOx izmerena je posle rekonstrukcije kotla i decembru 1990. godine, od strane ruske firme Energy Ecology Engineering (Elektroprivreda Republike Srpske, podaci). Ova serija merenja pokazala su da je koncentracija sumpordioksida u dimnim gasovima oko 12500 mg/m n3. U nastavku slede izlazne vrednosti proraĉuna iz ovog rada, sa poĉetnim vrednostima goriva iz Ugljevika.
46
I kada opet uporedimo ovu proraĉunatu vrednost u odnosu na vrednost dobijenu merenjima, dobićemo razliku, odnosno „grešku“ izmeĊu izmerene i prognozirane vrednosti, procentualno: |
5.3
|
PoreĎenje 3
Na analogan naĉin se mogu uporediti i izmerene vrednosti emisija iz TENT bloka A sa proraĉunatim vrednostima dobijenim matematiĉkim modelom, a zatim moţemo i uporediti proraĉunske i proraĉunate koncentracije. U ovom poreĊenju se moţe uporediti jedino koncentracija letećeg pepela, i to pre i posle prolaska kroz elektrofiltar jer u izveštaju merenja nisu dati. Sastav uglja koji je uzet kao pogonsko gorivo za ovu analizu je sledeći: C=21,7 %
S=0,4 %
H=1,93 %
W=19,7 %
O=5 %
A=15 %
N=4 % Uzećemo da ovaj ugalj sagoreva pri višku vazduha λ=1,45 i da je stepen emisije sumpora 0,9, kako bi uslovi rada kotla najviše odgovarali realnom sluĉaju. Izmerene vrednosti u ovom izveštaju daju koncentracije pepela pred ulazak u EF od 33500 mg/m3 a nakon prolaska kroz EF koncentracija letećeg pepela je 50 mg/m3. Ove koncentracije su već korigovane na udeo kiseonika od 6% u suvom dimnom gasu. Naţalost ostale vrednosti koncentracija u dimnom gasu ne posedujemo u izveštaju. Jedina još moguća vrednost koja se moţe uporediti je udeo kiseonika u dimnom gasu koji iznosi 7%. Moţemo uporediti ove rezultate sa rezultatima matematiĉkog proraĉuna sagorevanja ovog uglja u datim uslovima. Zatim moţemo i prikaţemo rezultate proraĉuna, odnosno zapremine relevantnih produkata sagorevanja:
Proraĉunata temperatura loţišta je 1100 °C, a za ovako relativno nisku temperaturu je odgovoran visok višak vazduha u loţištu kao i ne tako visok udeo ugljenika u uzorku uglja. 47
Sada moţemo proraĉunati na poznat naĉin i koncentraciju letećeg pepela u sirovom dimnom gasu Kao što je već spominjano, naĉin loţenja je uglja u sprašenom stanju ima negativnu stranu jer oko 80% pepela odlazi sa dimnim gasovima kao leteći pepeo. Kako je objašnjeno, masa pepela dobijena sagorevanjem jednog kilograma uglja je jednostavno:
Masa pepela koja odlazi sa vrelim dimnim gasovima je: A kada to podelimo sa zapreminom suvih dimnih dobićemo i koncentraciju pepela u suvim produktima sagorevanja u jedinici mg/m3:
I napokon, kada korigujemo ovu koncentraciju na udeo kiseonika od 6% u suvom dimnom gasu, kako nalaţu pravilnici, dobićemo koncentraciju merodavnu koncentraciju:
I ukoliko usvojimo da EF ima nominalni stepen korisnog dejstva od 99,8%, dobićemo izlaznu koncentraciju letećeg pepela iz elektrofiltra prema utvrĊenoj jednaĉini:
Moţemo napokon uporediti proraĉunatu vrednost koncentracije letećeg pepela pred EF sa izmerenom i procentualno prikazati grešku izmeĊu njih: |
|
Na isti naĉin moţemo uporediti proraĉunatu i izmerenu vrednost koncentracije letećeg pepela nakon izlaska iz EF:
A moţemo uporediti i prikazati i grešku izmeĊu proraĉunate vrednosti sadrţaja kiseonika u produktima sagorevanja sa izmerenom vrednošću:
5.4
Rekapitulacija poreĎenja proračunatih izmerenih vrednosti
Iako naţalost u prethodnim primerima nisu uvek poreĊene iste koncentracije, usled nedostatka eksperimentalnih podataka, nephodno je napraviti zakljuĉak iz ovakvih rezultata, i napraviti pregled proraĉunatih i izmerenih vrednosti prikazan u tabeli:
48
Tabela 16. Uporedni prikaz proraĉunatih i izmerenih vrednosti Vrednost Proraĉunata koja se vrednost poredi
Izmerena vrednost
Razlika
Iako ovi podaci donekle prikazuju ispravnost ovog matematiĉkog modela, idealno bi bilo kada bi autor imao pristup širim, laboratorijskim izveštajima o sagorevanju uglja, kao i sagorevanju na pilot postrojenjima koja se rade prilikom konstrukcija kotlova izmeĊu ostalog. Za sada, na sadašnjem nivou ovog istraţivanja, moramo se zadovoljiti sa ovakvim rezultatima, koja su uglavnom ĉisto teoretska. Teoretska konstrukcija procesa je, doduše, ono što se i oĉekuje od inţenjerskog pristupa nekom procesu.
49
6 PROCENA UTICAJA SAGOREVANJA UGLJA NA ŢIVOTNU SREDINU
Iako termoelektrane na ugalj predstavljaju jedan od najjeftinijih vidova dobijanja elektriĉne energije, njihov uticaj na ţivotnu sredinu postoji, i jeste znaĉajan u odnosu na bilo koji drugi vid dobijanja elektriĉne energije. Celokupan proces dobijanja elektriĉne energije od uglja, poĉevši od otkopavanja uglja u rudnicima, tj otvorenim kopovima, preko primarne obrade tj ĉišćenja uglja, pa transporta i na kraju dorade i spaljivanja ima znaĉajan uticaj na ţivotnu sredinu.
6.1
Uticaj na vodu
Uticaj na vodu nije od interesovanja u ovom radu, tako da će biti samo ukratko opisan. Naime, najveći uticaj na vode potiĉu prilikom iskopavanja uglja, prilikom ĉega se zakiseljavaju podzemne vode, razni minerali dolaze u kontakt sa podzemnom vodom i pritom joj menjaju prirodni sastav. Dolazi do infiltracije procednih voda sa ugljenih polja, što je teško zaustaviti u kraćem vremenskom periodu. Mikroelementi sa velikim nivoom toksiĉnosti dospevaju u podzemne vode, kao i mnoge mineralne soli. TakoĊe moţe doći do proceĊivanja voda iz jalovine i ostalih otpadnih materijala i u potoke, koji zatim zagaĊuju reke. TakoĊe je reĉ o sliĉnim zagaĊivaĉima, što ĉini ove vodotokove opasnim za korišćenje u poljoprivredi TakoĊe, u toku rada termoelektrana, javljaju se relativno velike koliĉine otpadnih voda koje su zauljene, ali i velika koliĉina vode koja je iskorišćena za kondenzaciju pare u procesu i ispuštena u reku, kada se javlja tzv. termalno zagaĊenje. U tom sluĉaju prirodni ciklusi ţivog sveta u reci bivaju poremećeni jer se uvodi promena u temperaturi koja postoji tokom ĉitave godine. TakoĊe prilikom remonta i odrţavanja termoelektrana javlja se veliki broj otpadnih voda usled ispiranja opreme raznim sredstvima za otklanjanje neĉistoća i kamenca.
6.2
Uticaj na zemljište i ţivi svet
Otkopavanje uglja na površinskim kopovima ozbiljno narušava predela koji se eksploatiše. U velikom broju sluĉajeva bivši rudnici uglja bivaju napušteni prirodna konstitucija tog prostora biva trajno uništena. Slojevito otkopavanje uništava potpuno trenutnu vegetaciju, i menja topografiju tog prostora. Ĉak i postoje sluĉajevi kada objekti od istorijske vaţnosti, ili objekti vaţni ljudima bivaju uništeni zarad otkopavanja uglja. takoĊe je prisutno veliko zagaĊenje bukom, i prašinom usled konstantog rada mašina na kopovima, i kamionima koji transportuju opremu i potrošni materijal. Iskopavanje uglja praktiĉno uništava sve estetske elemente predela koji se odpoĉne eksploatisati. Poseban problem na otkopima uglja predstavlja spontano zapaljenje ugljenih polja koje je vrlo teško ugasiti i prekinuti. Ovo izgaranje uglja moţe da traje i nekoliko godina dok se ne ugasi u potpunosti. 50
Površinsko kopanje uglja stvara kako direktne, tako indirektne štete ţivom svetu koji ţivi na tom predelu. Uticaj na njih se uglavnom sastoji od izmeštanja populacije, prekidanja ţivotnog ciklusa i narušavanje prirodnog predela. Neki od uticaja su kratkog veka, neki su dugotrajni, i dugoseţni uticaji sa velikim posledicama. Ĉesto nakon napuštanja i rekultivacije ovih prostora, ţivi svet se teško vraća na te površine Ĉinjenica je da ĉak i male izmene su neprihvatljive okolini ovih ţivotinja, jer one nisu u mogućnosti da se adaptiraju na izmene usled otkopavanja rudnika. Raspon moguće štete je vrlo razliĉit. Ĉesto takoĊe zbog potreba poĉinjanja otkopavanja uglja, odreĊene reke i jezera bivaju isušeni ili neka suva podruĉja bivaju iskorišćenja radi preusmeravanja reka i potoka. Ovo nepovratno uništava vodene faune tih vodotokova. TakoĊe sedimenti u okolnim rekama poĉinju da akumuliraju teške metale koji potiĉu iz mineralne frakcije uglja, kako pri otkopavanju tako i pri sagorevanju. Sagorevanjem uglja se stvaraju velike površine koje se koriste za odlaganje letećeg pepela. Ovakva mesta se struĉno zovu „kasete“. Jedna kaseta moţe imati desetak hektara ili više. Obiĉno, kako bi se spreĉilo razvejavanje pepela, potrebno je drţati površinu kasete vlaţnom, što zahteva ogromne koliĉine vode. Ove kasete mogu lako zagaditi podzemne vode, usled izvesnog proceĊivanja padavina kroz njih u zemljište. Kasete sa pepelom su potencijalne opasnosti za region u kojem se nalaze, jer mogu izazvati ekološku nesreću u sluĉaju izlivanja u obliţnje vodotokove, što se moţe desiti usled intenzivnih padavina, ili usled tehniĉkog problema u konstrukciji. U ovim kasetama se nalaze velike koliĉine pepela koji obiluje teškim metalima i retkim elementima koji se prirodno ne nalaze u vodotokovima i podzemnim vodama.
6.3
Uticaj na atmosferu
U procesu sagorevanja uglja javljaju se materije koje se izbacuju u atmosferu mogu se podeliti na dve velike grupe: inertne materije i štetne materije (Manić, 2007). U inertne materije se mogu staviti sva ona jedinjenja koja kao prirodni sastavni delovi vazduha nemaju neposredan štetni uticaj na ţivotnu sredinu, a to su:
Azot N2 Kiseonik O2
Vodena para H2O(g)
Ugljendioksid CO2
Štetne materije koje se javljaju prilikom sagorevanja uopšte, mogu se razvrstati na više naĉina, najĉešće prema agregatnom stanju (gasoviti, teĉni, ĉvrsti). U štetne materije spadaju:
Ugljenmonoksid CO
Sumporovi oksidi SO2 i SO3
Azotovi oksidi NO i NO2
Leteći pepeo i prašina razliĉitih sastava, sa teškim metalima, gar, tj ĉaĊ (nesagoreli ugljenik) 51
Vodene kapljice – aerosoli sa rastvorenim štetnim materijama u sebi
Hloro- i fluorovodonici HCl i HF
Štetne materije mogu poteći iz nepoţeljnih primesa koje se nalaze u gorivu, ili nastati nepotpunim i nesavršenim sagorevanjem. U prvu grupu spadaju jedinjenja sumpora, teški metali, i vodoniĉno halogena jedinjenja. U drugu grupu spadaju ugljenikmonoksid i nesagoreli ugljovodonici. Njihovo nastajanje se kod stacionarnih postrojenja moţe smanjiti relativno malim zahvatima i odrţavati u zadovoljavajućim granicama, samim time se u osnovnim inţenjerskim proraĉunima i ĉesto zanemaruje (Joksimović-Tjapkin, 1981). U nastavku će samo biti reĉi o najznaĉajnijim zagaĊivaĉima koji nastaju sagorevanjem uglja u termoelektranama, i za koje će se u sledećim poglavljima objasniti mehanizam nastanka, kao i dimenzionisanje, odnosno modelovanje nastanka ovih gasova i ĉestica.
6.3.1 Ugljendioksid
Ugljendioksid u Zemljinoj atmosferi se smatra za gas koji postoji u tragovima, koji se trenutno nalazi u zapreminskoj koncentraciji od oko 380-390 ppm, odnosno 580-590 ppm u masenoj koncentraciji. Ukupna masa ugljen dioksida u atmosferi je oko 3,16 10 15 kg. Njegova koncentracija varira znatno, sezonski, regionalno, a veća je blizu zemljine površine. U svim urbanim sredinama su po pravilu znatno više koncentracije u odnosu na nenaseljena podruĉja, a u zatvorenom prostoru moţe dostići i desetostruku koncentraciju u odnosu na spolja. Ugljendioksid je gas staklene bašte. Iako mnogi nauĉnici se zalaţu za smanjenje emisije ugljendioksida, neki smatraju da je povećanje ugljendioksida prirodan proces, jer je dokazano da pre 500 miliona godina koncentracija ugljen dioksida je bila dvadesetostruka u odnosu na današnju koncentraciju. Od poĉetka industrijalizacije, koncentracija ugljendioksida je porasla za oko 37%. Iako postoji prirodno emitovanje ugljendioksida, ljudska aktivnost stvara oko 130 puta više ugljendioksida nego sama priroda. Još jedan negativni aspekt ugljendioksida je i mogućnost stvaranja kiselih kiša. Nakon ispuštanja u atmosferu, ugljendioksid reaguje sa vodenom parom u atmosferi i polako se stvara ugljeniĉna kiselina (H2CO3). Ova kiselina se vraća na zemlju sa kišama i ostalim kiselinama nastalih iz sumporovih i azotovih oksida. Ovaj fenomen se ne moţe spreĉiti tako za razliku od nastajanja sumporne kiseline u atmosferi. Srećom, ugljeniĉna kiselina je blaţa kiselina od ostalih koje nastaju usled sagorevanja uglja. Usled ovog fenomena dolazi do adsorpcije ugljendioksida na okeanima, što izaziva blagu ali sve veću acidifikaciju okeana Proizvodnja elektriĉne energije iz fosilnih goriva je zasluţno za velik deo emisija ugljendioksida od strane ljudi. Od svih fosilnih goriva, sagorevanje uglja za stvaranje elektriĉne energije stvara najviše ugljendioksida po jedinici proizvedene elektriĉne energije (1020 kg/MWh kod modernih termoelektrana). Razlog za to je što se goriva masa uglja sastoji od velikog dela ugljenika, dok kod ostalih goriva (gasovito gorivo)goriva masa se manje sastoji od ugljenika, a više od vodonika, pa pri sagorevanju se dobija manje ugljendioksida a više vodene pare. 52
6.3.2 Čvrste čestice
Jedan od glavnih problema rada termoelektrana na ugalj je emisija ĉvrstih ĉestica (u engleskoj terminologiji particulate matter, PM). Ĉvrste ĉestice su izuzetno sitne ĉestice suspendovane u dimnom gasu. I ĉvrste ĉestice mogu nastati iz prirodnih dešavanja (erupcije, šumski poţari), mada koliĉina ĉvrstih ĉestica emitovanih prirodnim putem je zanemarljivo mala u odnosu na koliĉinu emitovanu od ĉovekovih delatnosti. Povećani nivoi suspendovanih ĉestica su povezane sa raznim bolestima disajnih organa kod ĉoveka. Mineralne, nesagorive materije u uglju su uglavnom arsen, belirijum, bor, kadmijum, hrom, kobalt, olovo, mangan, ţiva, molibden, selen, stroncijum, talijum i vanadijum, kao i dioksine i policikliĉne aromatiĉne ugljovodonike (engleski PAH). Postoji više tipova ĉvrstih ĉestica nastalih u postrojenjima koja sagorevaju ugalj. Najveći deo ĉvrstih ĉestica iz procesa sagorevanja uglja je leteći pepeo, ali sekundarni sulfati i nitrati mogu ĉiniti znaĉajan udeo u emisiji ĉvrstih ĉestica iz industrijskih postrojenja koja koriste ugalj kao gorivo. Leteći pepeo nastao sagorevanjem uglja je zapravo ostatak sagorevanja uglja, tako da se naĉelno sastoji od nesagorivih supstanci koje se nalaze u uglju. Te supstance su silikati (SiO2), oksidi kalcijuma i mangezijuma (CaO i MgO), oksidi metala (Al2O3, Fe2O3), sulfidi (FeS2), karbonati (CaCO3, MgCO3), sulfati (CaSO4, MgSO4). Sem ovih „bezopasnih“ materija moţe da sadrţi i neke od sledećih vrlo opasnih i uglavnom kancerogenih materija: arsen, berilijum, bor, kadmijum, hrom, kobalt, olovo, mangan, ţiva, molibden, selen, stroncijum, talijum, i vanadijum, kao i dioksine i policikliĉne aromatiĉe ugljovodonike (engleski PAH). Postoji dobro poznata klasifikacija ovih ĉestica prema veliĉini ekvivalentnog preĉnika: PM10,PM2.5, PM1. TakoĊe u leţištima uglja se nalaze izvesne koliĉine radioaktivnih elemenata, uranijuma, torijuma, i ostalih radioaktivnih izotopa, i ispuštanje ovih supstanci dovodi do radioaktivne kontaminacije. Iako se ovi elementi nalaze u izuzetno maloj koncentraciji, sagorevanje velike koliĉine uglja dovodi do znaĉajne emisije ovih elemenata. Termoelektrana od 1000 MW na ugalj moţe da ispusti do 5,2 t uranijuma godišnje, i 12,8 t torijuma. PoreĊenja radi nuklearna elektrana od 1000 MW bi potrošila oko 227 kg plutonijuma i stvorila 30 tona visoko radioaktivnog otpada. (IAEA FAQ) TakoĊe, moţda najmasovnije zagaĊivanje teškim metalima iz termoelektrana predstavlja emisija ţive. Ţiva je izuzetno opasan polutant koji ima osobine akumulacije i aglomeracije kroz lanac ishrane. Pogotovo je izraţena akumulacija ţive u vodenom ţivom svetu u rekama u okolini termoelektrana. Ţiva se ispušta u obliku metil-ţive i termoelektrane predstavljaju velik, ako ne i najveći izvor ovog toksiĉnog jedinjenja u atmosferu i vodu. Stalno kumuliranje zagaĊujućih materija u okolini je posebna briga za ovakve polutante, zbog njihove hemijske strukture. To se pogotovo odnosi na ţivu i dioksine. Ovi polutanti ne nestaju iz okoline nikad, odnosno njihova degradacija zahteva enormno mnogo vremena. Tokom odreĊenog perioda vremena, velik udeo ove frakcije moţe postati zakopan u sedimentima, ali ipak i tako intertni, ovi polutanti predstavljaju veliki problem za floru i faunu okoline termoelektrana. Oni se onda akumuliraju i koncentrišu u odreĊenom delu lanca ishrane i tako lako dospevaju do ljudi. Metil-ţiva ima pogubno dejstvo na centralni nervni sistem i probavni trakt. Ukoliko se unosi prilikom trudnoće, ona ometa razvojni tok deteta,a pogotovo ometa centralni nervni sistem. Štetno dejstvo ovih ĉvrstih ĉestica se takoĊe manifestuje u disajnim problemima, izaziva napade astme, aritmije srca, a kod srĉanih bolesnika moţe izazvati dalje probleme 53
sa srcem. Dalekoseţne posledice su razne kardiovaskularne bolesti, hroniĉna opstruktivna bolest pluća, i kraći ţivotni vek ljudi. Arsen u ĉvrstim ĉesticama je opasan otrov za ljudsko telo i utiĉe na probavni sistem, i organe koji uĉestvuju u probavi, kao i na centralni nervni sistem. On je poznati karcinogeni element sa jakim dejstvom. Na duge staze razvija rak pluća udisanjem, a konzumacijom, izaziva rak koţe, bešike, jetre, i bubrega. Sve što je reĉeno za Arsen, vaţi i za Kadmijum, i Hrom samo u nešto manjem intenzitetu. Oni se takoĊe nalaze uglavnom u nešto manjim koncentracijama nego Arsen, ali ipak nisu zanemarljivi 6.3.3 Sumporni oksidi
Sumporni oksidi (SOX) predstavljaju podjednako opasne štetne gasove, i kao i gore pomenute supstance. Sumporni oksidi nastaju i prirodnim aktivnostima, i ĉovekovom delatnošću. Pored sagorevanja goriva radi proizvodnje elektriĉne energije, sumporovi oksidi nastaju i prilikom ţarenja ruda, radi dobijanja metala, kao i pri trošenju teĉnog goriva u transportu. Pri sagorevanju uglja, ali i mazuta nastaju znatne koliĉine sumpornih oksida, od kojih sumpordioksid predstavlja oko 90% tih oksida. Sumporovi oksidi su kiseli anhidridi što znaĉi da u prisustvu vode, odnosno vlage u vazduhu stvaraju kiseline. Sumpordioksid u atmosferi, u prisustvu nekih katalizatora, kao što je azotdioksid stvara sumporastu kiselinu. TakoĊe posredno, pretvaranjem u sumportrioksid, stvara i sumpornu kiselinu. Oko 30% sumpordioksida u atmosferi se konvertuje u sulfatne aerosole koji se uklanjaju u vidu kiselih kiša. Sumporovi oksidi su teški, bezbojni otrovni gasovi, sa odbojnim mirisom, sliĉnom tek upaljene šibice. Koncentracija sumporovih oksida u vazduhu ima znaĉajni uticaj na ljudsko zdravlje, ali i na ţivot ţivotinja i zelenila. Sumportrioksid se znatno manje pojavljuje u dimnom gasu, i brzo se pretvara u sumpornu kiselinu u prisustvu vlage (Manić, 2007). Ostali oksidi sumpora su i SO, S2O3, S2O7, SO4. Oni su svi vrlo nestabilni gasovi, koji se ubrzo nakon nastajanja i hlaĊenja transformišu u sumpor dioksid, ili sumpor dioksid, ili eventualno u elementarni sumpor, koji opet moţe da formira neki sumporov oksid. Negativno dejstvo sumporovih oksida se manifestuje kao iritacija pluća, stvaranje astmatiĉnih problema, smanjenje kapaciteta pluća. Dodatni negativni uticaj je stvaranje kiselih kiša koje uništavaju kako biljke, tako i graĊevine. 6.3.4 Azotovi oksidi
Kad se spominju azotovi oksidi u domenu zaštite ţivotne sredine, misli se na okside azota NO i NO2. Zajedniĉki se oni obeleţavaju sa NOX. Oni se stvaraju iz reakcije azota i kiseonika tokom sagorevanja, na visokim temperaturama. Azotovi oksidi se formiraju svugde gde ima sagorevanja. Azotni oksidi reaguju i stvaraju smog i kisele kiše. TakoĊe su odgovorni za stvaranje ozona u niskom sloju atmosfere – troposferi. Azot i kiseonik nikad ne bi reagovali na sobnim temperaturama, ali na visokim temperaturama kakve vladaju u loţištima, oni imaju endotermnu reakciju koja koja stvara više vrsta azotovih oksida. U prisustvu viška kiseonika, kakva je i situacija u atmosferi, azotmonoksid reaguje sa kiseonikom da bi stvorio azotdioksid. Vreme za oksidaciju u azotdioksid zavisi od koncentracije azotmonoksida u vazduhu, ali je u rasponu od nekoliko sekundi do nekoliko dana.
54
Kada NOX i isparljiva organska jedinjenja reguju u prisustvu sunĉeve svetlosti, oni formiraju fotohemijski smog. NOX kroz nekoliko sukcesivnih reakcija formiju azotnu kiselinu, uz vlagu iz atmosfere. U procesu sagorevanja, postoji tri glavna izvora NOX (Stojiljković, 2001):
Termalni NOX predstavlja azotove okside koji se formiraju pomoću visokotemperaturske oksidacije molekula azota koji se već nalazi u vazduhu. Intenzitet formiranja ovakvih oksida je funkcija visine temperature i vremena koje molekuli azota provode na toj temperaturi. NOX iz goriva je bitan kod sagorevanja nekih vrsta ugljeva, koji sadrţe velik udeo vezanog azota. Tokom sagorevanja azot se oslobaĊa, ili kao molekul azota, ili kao azotmonoksid. Iako velik deo azota iz goriva sagori u azotove okside, velik deo tih oksida se do izlaska iz loţišta redukuju od strane ugljenika, tako da se na kraju u atmosferu ispusti oko 20% azotovih oksida stvorenih na ovaj naĉin. Promptni NOX je treća vrsta azotovih oksida koji nastaju reakcijom atmosferskog azota sa radikalima u gorivu, kao što su C, CH, i CH 2 fragmentima koji su izvedeni iz goriva. Ovaj proces nastaje u najranijoj fazi sagorevanja, pa se zato i oksidi koji nastaju zovu „brzi“ azotovi oksidi. Termalni NOX koji je uslovljen visokim temperaturama koje vladaju u loţištu, je identifikovan kao najbitniji ĉinilac emisije NOX kod gasovitih goriva. „Brzi“ NOX se u opštem sluĉaju zanemaruje u ukupnoj koliĉini azotovih oksida nastalih u sagorevanju.
Azotovi oksidi reaguju u atmosferi i stvaraju azotnu kiselinu, ĉime se stvara smog i kisela kiša. TakoĊe doprinosi stvaranju prizemnog ozona koji je izuzetno štetan za pluća. Ona moţe da penetrira duboko u osetljivo tkivo pluća, i da ga ošteti, stvarajući brojne disajne probleme. Deca su pogotovo podloţna ovakvim oštećenjima pluća. Na duţe staze takoĊe moţe da poveća osetljivost ljudske populacije na plućne bolesti, i trajne promene disajnih organa. TakoĊe, NOX reaguje sa ostalim produktima sagorevanja i formira ozon u niskom sloju atmosfere. (Stojiljković, 2001)
55
7 ZAKLJUČAK U ovom radu je prikazan primer matematiĉkog modela procesa nastanka emisija štetnih gasova pri sagorevanju uglja u termoelektranama, a zatim i uporeĊen sa raspoloţivim podacima. Pregled matematiĉkog modela prikazanog u ovom radu moţe se napraviti pogledom na to koji su ulazni parametri a koje su izlazne, odnosno proraĉunate vrednosti. Ulazni parametri su:
Sastav uglja, odnosno maseni udeli njegovih komponenti (C, H, O, N, S, A, W)
Donja toplotna moć (Hd)
Višak vazduha (λ)
Naĉin loţenja uglja
Izlazne odnosno, dobijene vrednosti su:
Koncentracija SOX kao SO2 (xSO2)
Koncentracija NOX kao NO2 (xNOx)
Koncetracija letećeg pepela u dimnom gasu (xA)
Zapreminski udeo kiseonika u dimnom gasu (wO2)
Zapreminski udeo ugljendioksida u dimnom gasu (wCO2)
Zapreminski udeo azota u dimnom gasu (wN2)
Udeo vlage u dimnom gasu u loţištu (wH2O)
Na osnovu eksperimentalnih posmatranja i uporeĊivanja predviĊanja modela sa izmerenim vrednostima moţe se zakljuĉiti da predviĊene vrednosti imaju izvesnu taĉnost. Osnovni problem, kao što je napomenuto je nedostatak malo opširnijih eksperimentalnih podataka kako bi se utvrdila proseĉna greška odnosno razlika u predviĊenoj i izmerenoj vrednosti. U jedina primerima poreĊenja koncentracija sumpordioksida se moţe zakljuĉiti da je predstavljen model prognozira vrednosti koje su logiĉne, te da ima smisla. Mada ipak, sa ovim poreĊenjima ne moţe se podrobno utvrditi stepen taĉnosti ovog matematiĉkog modela. TakoĊe ono što nije obuhvaćeno modelom je korekcija koncentracije sumpordioksida usled apsorpcije sumpordioksida u pepeo. Taĉnije ova pojava je reakcija izmeĊu sumpordioksida u dimnom gasu, i kalcijumoksida u letećem pepelu, a rezultat te reakcije je anhidrid sumporne kiseline CaSO4. Ovim fenomenom nije se bavilo u ovom radu, iz uverenja da će to prevazići okvire master rada. Moţe se zakljuĉiti da je ovaj model dobar primer predviĊanja sastava produkata sagorevanja, u okvirima jednog master rada, i da ima perspektivu i potencijal za unapreĊivanje, ali dok je na ovom nivou predstavlja proraĉun samo demonstracionog karaktera.
56
7.1 Predlozi za budući rad Ono što je neminovno da bi ovaj model bio bolje analiziran je obimnije poreĊenje sa izmerenim vrednostima emisije. Neophodno je nabaviti obimniju dokumentaciju, to jest izveštaje o merenjima sastava produkata sagorevanja iz termoelektrana. Druga opcija je napraviti dosledna laboratorijska ispitivanja ĉiji rezultati bi se poredili statistiĉki sa predviĊenim, odnosno proraĉunatim rezultatima. Tako bi se mogla napraviti bolja slika o odstupanjima izmeĊu izmerene i predviĊene vrednosti. Ovaj matematiĉki model, radi veće taĉnosti mora da se koriguje i adaptira izmerenim vrednostima iz eksperimenta, pa će tako biti taĉniji. Postoje razne matematiĉke metode „fitovanja“ eksperimentalnih podataka u postojeće matematiĉke funkcije. TakoĊe zarad dobijanje preciznije slike o emisiji, model mora uzimati u obzir i reagovanje sumpordioksida sa pepelom. Prema sastavu pepela je moguće odrediti udeo kalcijumoksida, a poznajući koncetraciju sumpordioksida, moţe se odrediti procenat vezivanja sumpora u pepelu. Ovakva zavisnost bi se trebala koristiti u proraĉunu kako bi se dobila taĉnija vrednost izlazne koncetracije sumpordioksida. Kod sagorevanja odreĊenih vrsta ugljeva, zbog povoljnog odnosa kalcijumoksida u pepelu dolazi do smanjenja koncentracije sumpordioksida za oko trećinu nego u sluĉaju da se sumpordioksid jednostavno ispušta sa produktima sagorevanja. U domenu unapreĊenja azotovih oksida, nuţno je korigovati postojeći grafikon za viškove vazduha od 1,2 do 1,6 kako bi se mogla procenjivati koncetracija NO X za veći dijapazon loţišta. Još bolje, ali i kompleksnije rešenje je izrada nomograma koji će istovremeno sadrţati vrednosti temperature u loţištu, koncentracije NO X u dimnom gasu i viškove vazduha.
57
8 LITERATURA Berberović Šefkija. 1979. Ekonomski znaĉaj uglja u energetskoj privredi Jugoslavije. Knjiţevne novine, Beograd. Chakraborty N, Mukherjee I. i drugi. 2007. Measurement of CO2, CO, SO2, and NO emissions from coal-based thermal powerplants in India. Elsevier, New Delhi, Indija. Guliĉ Miloš. 1982. Metoda termiĉkog proraĉuna loţišta kotlova. Minel – Kotlogradnja, Beograd. Joksimović-Tjapkin Slobodanka. 1981. Procesi sagorevanja. Tehnološko-metalurški fakultet, Beograd. Manić Jelenko. 2007. Pogon termoelektrana. Termoelektrane „Nikola Tesla“, Obrenovac. Nikolić Predrag. 1997. Sirovinski potencijali i mogući razvoj ugljarstva Srbije. Nauka, Beograd. Nikolić Predrag. 1990. Ugalj Jugoslavije: geologija i proizvodno razvojni potencijali leţišta i rudnika uglja. Pronalazaštvo, Beograd. Nikolić Predrag. 1980. Ugalj: Kvalitativno-kvantitativna svojstva ugljeva i njihova uloga u procesu prerade i upotrebe ugljeva. Savremena administracija, Beograd. Perunović Panto. 1979. Parni kotlovi: odabrana poglavlja za rukovaoce velikim termoenergetskim postrojenjima. Termoelektrana – Toplana u osnivanju, Novi Sad. Stojiljković i dr. 2009. Izbor optimalnog tehniĉkog rešenja postrojenja za odsumporavanje dimnih gasova na TE „Kostolac B“. Termotehnika XXXV, 3-4: 231-249 Stojiljković Dragoslava. 2001. Azotni oksidi pri sagorevanju domaćih lignita. Zaduţbina Andrejević, Beograd. Vuletić Vojislav. 2004. Ugalj: Karakteristike, priprema, korišćenje. Udruţenje za gas Srbije i Crne Gore, Beograd. Anonim. 2008. Radovi po pozivu saopšteni na Savetovanju „Korištenje pepela iz termoelektrana Kostolac A i B“ Društvo hemiĉara, tehnologa i metalurga, Poţarevac. Anonim. 1997. Pravilnik o graniĉnim vrednostima emisije, naĉinu i rokovima merenja i evidentiranja podataka. Sluţbeni glasnik Republike Srbije broj 35/97, Beograd. Carbon dioxide. U Wikipedia, The Free Encyclopedia. Preuzeto 7. 6. 2011, sa http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Carbon_dioxide&oldid=496328644 Fly ash. U Wikipedia, The Free Encyclopedia. Preuzeto 7. 6. 2011, sa http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Fly_ash&oldid=493322084 Ekologija. U Zvaniĉna prezentacija Elektroprivrede Republike Srpske. Elektroprivreda Republike Srpske, Preuzeto 05.07. 2011. sa www.ers.ba/stara/ekologija_ugljevik.htm
58
9 SPISAK SLIKA Slika 1. Promena hemijskog sastava ĉvrstih goriva (Nikolić, 1980) ..................................... 7 Slika 2. Maseni udeli razliĉitih materija u ĉvrstom gorivu (Nikolić, 1980) ............................. 9 Slika 3. Pojednostavljena shema termoelektrane (http://en.wikipedia.org/wiki/File:PowerStation2.svg) ......................................................... 16 Slika 4. Naĉini loţenja uglja (http://en.wikipedia.org/wiki/File:Combustion_systems_for_solid_fuels.gif) ....................... 25 Slika 5. Struktura i koncentracija emisije NOX (predstavljena kao NO2) od temperature pri sagorevanju uglja (Stojilković, 2001) ................................................................................. 39
59
10 SPISAK TABELA Tabela 1. Koeficijenti za preraĉunavanje opisanih masa goriva (Vuletić, 2004) .................. 9 Tabela 2. Sastav pepela razliĉitih vrsta ugljeva (en.wikipedia.org/wiki/Fly_ash) ............... 13 Tabela 3. Rezerve uglja Republike Srbije u milionima tona (Nikolić, 1980) ....................... 19 Tabela 4. Tehniĉka analiza ugljenih slojeva u otkopima Kostolac, Ćirikovac i Drmno (Nikolić 1990)..................................................................................................................... 20 Tabela 5. Hemijski sastav pepela uglja Kostolaĉkog basena (Nikolić 1990) ..................... 20 Tabela 6. Pregled osnovnih osobina uglja po objektima u Kolubari (Nikolić 1990) ............ 21 Tabela 7. Detaljna analiza uglja Kolubare (Nikolić 1990) .................................................. 22 Tabela 8. Pregled termoelektrana na ugalj u sistemu EPS (www.eps.rs) .......................... 23 Tabela 9. Model menjanja entalpije dimnih gasova (Joksimović-Tjapkin, 1981)................ 37 Tabela 10. Koncentracija azotovih oksida u dimnom gasu ................................................ 39 Tabela 11. Srednji hemijski sastav EF pepela iz TENT A na osnovu 59 uzoraka od 1983. do 2004. godine sa gustinama komponenti (Bašĉarević i dr.) ........................................... 40 Tabela 12. Korigovani srednji hemijski sastav EF pepela iz TENT A ................................ 41 Tabela 13. Proraĉunate vrednosti elemenata suvih produkata sagorevanja na izlasku iz loţišta ................................................................................................................................ 42 Tabela 14. Korigovane vrednosti elemenata suvih produkata sagorevanja na izlasku iz loţišta ................................................................................................................................ 42 Tabela 15. GVE za loţišta na ugalj (Pravilnik o graniĉnim vrednostima emisije, naĉinu i rokovima merenja i evidentiranja podataka) ...................................................................... 43 Tabela 16. Uporedni prikaz proraĉunatih i izmerenih vrednosti ......................................... 49
60
