Управление на емисии при производството на енергия от биомаса

При изгарянето на биомаса в атмосферата се отделят емисии на различни видове замърсители. Повечето от тях са свързани със състава на използваната биомаса, но има и такива, които се генерират в резултат на непълно горене – сажди, въглероден оксид и други газообразни органични съединения например диоксини.

Някои от металите в пепелта, като олово, се изпаряват по време на горене и реагират, кондензират и/или сублимират при охлаждането на котела. След пречиствателните съоръжения, обикновено при температура < 200°C, всички метали са в твърдо състояние, освен живакът. Той се изпарява при горенето и реагира в котела, но остава предимно в газообразната си форма.

Изпускането на емисиите от производството на енергия от биомаса оказва негативно въздействие върху околната среда и затова е необходимо да се инсталират пречиствателни съоръжения, които да елиминират или поне да редуцират риска от замърсяване. Степента на пречистване се определя от размера на горивната инсталация, местонахождението й, както и от нормативните изисквания.

Прахови частици
Биомасата, използвана като гориво, може да съдържа разнообразие от замърсители с различна концентрация. Праховите емисии обикновено се състоят от две фракции – с частици с диаметър под 1 микрон и по-едри частици. В субмикронната фракция влизат съединения, които се изпаряват по време на горене и след това реагират или кондензират при охлаждането на котела.

Скоростта на изпарение зависи от пепелното съдържание и температурата на горене. Наличието на хлориди в биомасата води до по-висока скорост на изпарение. Малките частици често са с високи концентрации на калий, сяра и хлор. Когато горенето е некачествено, се отделя голямо количество сажди, които могат да бъдат причислени към фината фракция.

Количеството частици с диаметър над 1 микрон може да варира в широки граници. В един добре проектиран и експлоатиран котел с решетка пепелта се отстранява като дънна пепел и много малка част от грубата фракция попада в потока отпадъчни газове след котела. От друга страна, при котли, работещи на пулверизирано гориво, или при някои съоръжения с флуидизиран слой, почти цялото количество пепел се унася с отпадъчните газове. Освен неорганична част, тази пепел може да съдържа и неизгоряла материя.

Методите за отстраняване на прахови частици от емисиите от горивни инсталации на биомаса се делят на сухи и мокри. За сухите методи се използва добре познато оборудване – циклони, електрофилтри, ръкавни филтри и др. Работната температура за сухите пречиствателни съоръжения след котли на биомаса е много по-висока от температурата на оросяване и обикновено под 200°C.

Циклоните са доста ефективно решение за отстраняване на грубата фракция, но не и за субмикронните частици. В модерните инсталации на биомаса те се използват като съоръжения за предварително събиране на частиците.

Електрофилтрите са често срещани след процес на горене на биомаса. На пазара се предлагат както малки (за котли с решетка), така и много големи съоръжения за когенерационни централи. Работните условия след котли на биомаса са добри за електрофилтрите, тъй като електрическите свойства на праха и отпадъчните газове са благоприятни. Ниското до умерено съпротивление осигурява стабилна и надеждна експлоатация на електрофилтрите.

Обикновено е възможно да се ползва електрофилтър за общи емисии на прах по-ниски от 10 mg/m3. В някои случаи е необходимо предварително събиране на праха, особено ако емисиите съдържат големи неизгорели частици биомаса. При горенето на биомаса с висока концентрация на хлориди обаче се отделят фини прахови частици с високо съпротивление, които възпрепятстват работата на електрофилтъра. Това се наблюдава например при изгарянето на непромита слама. Добра алтернатива за такива приложения са ръкавните филтри.

Доскоро ръкавните филтри не бяха толкова често прилагани за отстраняването на частици при изгаряне на биомаса, но с все по-строгите емисионни норми се очаква пазарният им дял в този сектор да се увеличи. Най-голямото предимство на ръкавните филтри е тяхната висока ефективност, която почти не зависи от размера и разпределението на частиците. Поради това те могат да бъдат използвани при общи емисии на прах под 10 mg/m3.

Ръкавните филтри следва да се експлоатират за сравнително сухи отпадъчни газове, защото в противен случай прахът не може да бъде премахнат от платнения ръкав. Определено количество водни капки може да бъде толерирано, но съотношението между капките и праховите частици трябва да бъде контролирано.

Освен за прахови частици, ръкавните филтри са подходящи и за отстраняването на газообразни замърсители. Чрез впръскването на фин прах, например хидрирана вар, протича абсорбция/реакция и замърсителите се задържат във филтърния кек. Този обикновено доста рентабилен метод се използва в много инсталации за изгаряне на отпадъци или замърсена биомаса от различни източници.
Oсновните съоръжения за мокро отстраняване на праховите частици са скруберите и мокрите електрофилтри.

Водоразтворими газове
Типични водоразтворими газообразни замърсители, отделящи се от котли на биомаса, са серен диоксид, хлороводород, флуороводород и амоняк. Те могат да бъдат отстранени посредством мокри или сухи методи.

Абсорбцията на водоразтворими газове в мокра фаза е използвана отдавна технология. Подходящото оборудване включва мокри скрубери с голяма контактна повърхност между газа и течността, например абсорбционни колони с пълнеж или тарелкови абсорбери. Абсорбцията може да бъде физична или химична, но дори при напълно физичен процес (както при HCl), при неутрализация протичат химични реакции.

Серният диоксид се абсорбира, неутрализира и поне частично окислява от варовикова суспензия или разтвор на натриев хидроксид и кислород. Предимството на варовиковата суспензия е, че като продукт от реакцията се получава гипс, който, ако е с достатъчна чистота, може да се използва за производството на гипсокартон. Хлоро- и флуороводородът също се неутрализират по този начин, но получените продукти обикновено трудно намират приложение.

Амонякът може да бъде неутрализиран със солна киселина, серен диоксид или други киселини. Концентрацията на амоняк в отпадъчните газове след горене обикновено е ниска, но при впръскването на амоняк или уреа в излишък в края на горивната зона за елиминиране на азотните оксиди, нивата на амоняк могат да станат недопустими. Този излишък може ефективно да бъде абсорбиран в мокър скрубер, но тогава замърсяването се измества от атмосферния въздух към водите.

Едно решение на този проблем е използването на разтвор на амониева сол при процеса на селективна некаталитична редукция и впръскването му в горната част на котела при температура около 900°C.

Абсорберите могат да бъдат с различна конструкция, но общият стремеж при проектирането им е да осигуряват добър контакт между течността и газа и да са с ниска консумация на енергия. Мокрите методи са ефективни заради високата подвижност на молекулите в течността и бързо протичащите реакции. Освен това, реакциите протичат почти напълно, което елиминира нуждата от добавяне на излишък от химикали.

Под суха абсорбция се разбира сорбцията и химичната реакция между замърсителите в отпадъчните газове и абсорбент, впръскан в тях. Продуктите на реакцията се отстраняват чрез прахоуловител. Принципът на метода е прост – покриване на филтъра с абсорбент с голяма специфична повърхност, пропускане на газа през филтъра, реакция на нежеланите замърсители с абсорбента и същевременно задържане на частиците и отстраняване на филтърния кек. За абсорбция на HCl/HF/SO2 след изгаряне на биомаса се използват предимно калциев хидроксид и натриев бикарбонат.

Сухата абсорбция е рентабилно решение за пречистване на газовете в много инсталации, изгарящи замърсена биомаса. Главният недостатък на процеса е, че винаги е необходим излишък на абсорбент, в резултат на което се генерират и по-големи количества остатъци в сравнение с мокрите скрубери.

Азотни оксиди
Азотните оксиди в отпадъчните газове от изгарянето на биомаса се получават основно от окислението на азота в горивото по време на процеса. Ако температурите в пещта са много високи (> 1200-1300°C), азотни оксиди могат да се формират и от азота във въздуха.

За отстраняването им се използват два метода –  селективна некаталитична редукция (СНКР) при температура между 850 и 1000°C, и селективна каталитична редукция (СКР) при 170 до 450°C.

Процесът на СНКР е ефективен, ако условията са добри, газовите потоци са със стабилни дебити и концентрации и се осигурява достатъчно време на задържане за протичане на редукцията. Дори при такива условия обаче за отстраняването на азотните оксиди е необходим излишък от амоняк.

СКР е често прилагана практика за пречистване на отпадъчните газове от горивни инсталации от азотни оксиди. Катализаторът може да бъде поставен преди прахоулавящото съоръжение при температура от 250 до 400°C, след него при същите температури, или в края на пречиствателната система. В последния случай, ако газът е много чист, работната температура може да се понижи до 170-180°C.

Диоксини и фурани
Диоксините и фураните са органични съединения с два ароматни пръстена, свързани един с друг чрез един (фурани) или два (диоксини) кислородни атома, а водородните атоми в бензеновите пръстени са заменени от хлорни атоми. Както е известно, тези съединения са силно токсични.

Диоксините не се генерират директно по време на горене, а се формират при сложните реакции в котела и пречиствателните съоръжения при 200 до 450°C. Необходимата за образуването им концентрация на хлор е много ниска. При пълно горене не се формират диоксини, тъй като за образуването им са нужни и органични прекурсори.

Диоксините са тежки ароматни молекули с висок афинитет към органични повърхности. Поради тази причина за отстраняването им се използва активен въглен. Често прилагана практика е впръскването на прахообразен активен въглен в потока отпадъчни газове преди ръкавния филтър. По този начин концентрацията на диоксини може да бъде редуцирана до < 0,01 ng/m3.

Друго решение е инсталирането на колона с пълнеж от малки пластмасови или каучукови компоненти, импрегнирани с активен въглен. След насищането на активния въглен с диоксини и други органични съединения, той обикновено се обезврежда чрез изгаряне в същия котел.