Kombinovaná výroba elektriny a tepla z hľadiska ochrany ovzdušia

Zariadenia na kombinovanú výrobu elektriny a tepla (KVET), ako sú napríklad spaľovacie turbíny, spaľovacie motory alebo aj parné protitlakové alebo kondenzačné turbíny s odberom v kombinácii s parnými kotlami, sú hlavným zdrojom znečisťovania životného prostredia pri KVET. Keďže je na Slovensku veľmi vysoký stupeň plynofikácie, najčastejším palivom zariadení KVET je práve zemný plyn, ktorý je z hľadiska záťaže životného prostredia znečisťujúcimi emisiami, ako aj emisiami skleníkových plynov relatívne výhodnou alternatívou. Vo veľkých teplárňach sa v zariadeniach KVET používajú fosílne tuhé palivá, ako aj kvapalné fosílne palivá (najmä rafinérske zvyšky). V posledných rokoch sa v zariadeniach KVET začala využívať už aj biomasa.

V článku sa hodnotí prevádzka 16 zariadení KVET spaľujúcich plynné palivá z pohľadu emisií plynných a tuhých znečisťujúcich látok. Uvádzajú sa v ňom sumárne údaje z databázy výkonu oprávnených meraní v predchádzajúcich troch rokoch.

Hodnotené zariadenia na spaľovanie palív
Vybrané zariadenia sa z hľadiska zásobovania teplom podieľali na zásobovaní bytov, zariadení v správe verejného sektora (školy, zdravotníctvo, úrady) či priemyslu.

Vo vybraných zariadeniach spaľovali dva druhy plynných palív:

• zemný plyn naftový (ZPN) – 14 zariadení,
• skládkový plyn – 2 zariadenia.

Pokiaľ ide o použité zariadenia, využívali sa technológie KVET uvedené v grafoch na obr. 1 a 2. Vzhľadom na inštalovaný výkon a počet zariadení prevládal vo výbere z databázy ako palivo zemný plyn. Teplonosnou látkou bola pri hodnotených zariadeniach teplá voda, horúca voda a para.

Obr. 1: Technológie KVET v závislosti od počtu jednotiek

Obr. 2: Technológie KVET v závislosti od výkonu jednotiek

Emisné limity znečisťujúcich látok vybraných zariadení na spaľovanie palív
Emisné limity znečisťujúcich látok (ZL) vypúšťaných do ovzdušia zo stacionárnych zdrojov znečisťovania ovzdušia sa uvádzajú vo vyhláške MŽP SR č. 338/2009 Z. z. Hodnoty emisných limitov vybraných zariadení z databázy sú uvedené v tabuľke.

Emisné limity zariadení podľa prílohy č. 4 k vyhláške č. 338/2009 Z. z. (bod 1.2.4, časť I.)

Pri hodnotách emisných limitov treba zdôrazniť, že sa v závislosti od technológie vzťahujú na rozličný referenčný obsah kyslíka. Z toho vyplýva, že rovnaká hodnota emisného limitu danej ZL neznamená, že sa súčasne emituje to isté množstvo ZL – vztiahnuté na množstvo paliva, resp. na množstvo privedeného tepla v palive.

Koncentrácie znečisťujúcich látok vybraných zariadení na spaľovanie palív
Hodnoty koncentrácií ZL hodnotených zariadení sú v grafe na obr. 3. Jednotlivé čísla predstavujú tieto zariadenia:

• 1 až 5 – klasické parné kotly v spojení s parnou turbínou,
• 6 až 9 – spaľovacie turbíny,
• 10 až 14 – spaľovacie vstrekovacie motory,
• 15 a 16 – spaľovacie zapaľovacie motory.

Obr. 3: Emisie znečisťujúcich látok z kombinovanej výroby

V prípade porovnania množstva emisií v pomere k množstvu paliva, resp. množstvu tepla v palive treba tieto údaje prepočítať na rovnaký referenčný obsah kyslíka. Výsledky uvedeného prepočtu sú znázornené v grafe na obr. 4. Na základe tohto grafu možno konštatovať, že:

• v prípade správneho nastavenia spaľovacích pomerov sú všetky uvedené zariadenia KVET schopné dodržiavať stanovené emisné limity,
• emisie NO_x sú pri spaľovacích turbínach v priemere 3 × vyššie ako pri klasických teplárenských zariadeniach (kotol + parná turbína),
• emisie NO_x sú pri spaľovacích motoroch v priemere 20 × vyššie ako pri parných kotloch,
• priemerná hodnota emisií CO je pri spaľovacích turbínach 3 × a pri spaľovacích motoroch dokonca 10 × vyššia ako pri parných kotloch,
• emisie tuhých ZL a SO₂ sú pri parných kotloch hlboko pod hodnotami, ktoré stanovujú emisné limity.

Obr. 4: Emisie znečisťujúcich látok z kombinovanej výroby (vztiahnuté na 3 % O2 v spalinách)

Záver
Vychádzajúc z hodnotenia prevádzky zariadení KVET spaľujúcich plynné palivá z pohľadu emisií znečisťujúcich látok možno konštatovať tieto závery:

Parné kotly v spojení s parnou turbínou

• sú schopné bezproblémovo dodržiavať emisné limity pre CO, NO_x, SO₂ a tuhé ZL v celej výkonovej škále,
• z hľadiska emisií ZL sa nejaví ako problém potreba zmeny výkonov zariadenia v širokom rozsahu (zaradenie takýchto jednotiek do podporných služieb).

Spaľovacie turbíny

• pri správnom nastavení sú schopné dodržiavať emisné limity NO_x a CO v oblasti platnosti emisných limitov (70 až 100 % príkonu),
• pri znižovaní výkonu spaľovacej turbíny (najmä pri zariadeniach bez kanálových horákov) dochádza vo viacerých prípadoch k mimoriadnemu nárastu obsahu CO v spalinách; v niektorých prípadoch je emisný limit prekročený až 20-násobne,
• pri nižších výkonoch je veľmi pravdepodobné prekročenie emisného limitu CO ako aj podstatné zníženie účinnosti zariadenia.

Spaľovacie motory

• v prípade správneho nastavenia motora a správnej funkcie katalyzátora sú tieto jednotky schopné dodržiavať stanovené emisné limity CO a NO_x,
• ak katalyzátor prekročí stanovený počet prevádzkových hodín, dochádza k nárastu emisií NO_x a postupnému prekročeniu emisného limitu,
• pri jednotkách spaľujúcich skládkový plyn treba venovať zvýšenú pozornosť nastaveniu spaľovacích pomerov, ako aj regulácii výkonu a spaľovania, keďže vlastnosti skládkového plynu sa počas prevádzky menia.

Dr. Ing. Jozef Šoltés, CSc.
Autor pôsobí v Národnej energetickej spoločnosti, a. s., so sídlom v Bratislave.  

Obrázky: archív autora

Článok bol uverejnený v časopise TZB HAUSTECHNIK.