Působí snižování emisních limitů na kvalitu popílků a jejich využití?

Snižování emisí oxidů dusíku a SNCR (selektivní nekatalytická redukce oxidů dusíku)

Ačkoliv existuje několik způsobů nových ekologizačních technologií v rámci zkvalitnění redukce oxidů dusíku, většina tepelných elektráren a spaloven na území České republiky se ubírá cestou SNCR, tedy selektivní nekatalytické redukce, a to zejména z ekonomických důvodů.

Zmíněná metoda je založená na redukci oxidů dusíku pomocí nástřiku roztoku močoviny nebo čpavkové vody do spalovací komory agregátu, kde dochází k redukci škodlivých NOx až na dusík a vodu.

Jak technologie SNCR dopadá na úletový vysokoteplotní popílek?

Je jisté, že při tomto procesu úletový vysokoteplotní popílek přichází do přímého styku se vstřikovaným médiem, jak ilustruje obrázek 1.

Téměř všechny studie i producent popílků, které prošly popsaným mechanismem SNCR, se poté shodují, že takové popílky obsahují zvýšené množství amonných solí. Tyto amonné soli poté velice rychle reagují s látkou alkalické povahy, jako je například vápno nebo cement za úniku NH₃, který je spojen s velice nepříjemným zápachem.

Ačkoliv může být zápach po čpavku velice nepříjemný z pohledu výrobce například betonové směsi, jeho dopad na pevnostní parametry takového kompozitu nebyl doposud jednoznačně prokázán.

Otázkou však zůstává, zdali samotný proces SNCR sebou nepřináší i další negativní dopady na produkovaný úletový popílek, zejména třeba na morfologii jeho zrn spojenou s dopadem na reologické chování kompozitu.

Kvalita popílků po SNCR s ohledem na ČSN EN 450-1

Vysokoteplotní úletový popílek jako jeden ze základních VEP podléhá několika legislativním předpisům dle předpokládaného využití. Z hlediska výrobců betonových směsí musí popílek naplňovat požadavky normy ČSN EN 450-1.

Jmenovaná norma vyjmenovává požadavky na popílek z pohledu jeho chemických, fyzikálních i mechanických parametrů. Obecně je poté popílek spojován s několika pozitivními přínosy při jeho použití pro výrobu betonové směsi.

Jmenovat lze zejména jeho pozitivní dopad na reologii cementové pasty díky jeho vhodné morfologii zrn, regulaci vývinu hydratačních teplot a pucolánovou reakci s pozitivním dopadem na mechanické parametry kompozitu.

Některé ze jmenovaných vlastností by však mohly být negativně ovlivněny působením SNCR.

Dopad SNCR na morfologii zrn popílků

Vysokoteplotní úletový popílek je téměř vždy spojen s pozitivním dopadem na reologii cementové pasty vyrobené za jeho použití. Tato skutečnost je dána vhodnou morfologií zrn, které jsou téměř kulovité povahy a disponují z velké části zeskelněným povrchem.

Taková zrna v kompozitu dokáží působit jako kuličková ložiska. Vznik těchto zrn je dán zejména vysokou teplotou spalování a principem jejich separace ze spalin během pozvolnějšího chlazení.

Je-li však do systému spalování aplikována navíc technologie redukce oxidů dusíku SNCR, během které je redukční činidlo nejčastěji vstřikováno přímo do prostor spalovací komory při teplotě 900 až 1100 °C, lze očekávat změnu morfologie popílku unášeného spalinami během takového náhlého teplotního šoku.

Náhlý teplotní šok by mohl způsobit až explozi a rozpadavost zrn popílku a následné shlukování těchto drobných částeček.

Dopad SNCR na morfologii zrn tohoto popílku byl ověřen za použití elektronové rastrovací mikroskopie, kdy byly porovnány zrna popílku bez uplatnění SNCR a při uplatnění SNCR během spalovacího procesu.

Fotografie potvrzují, že analyzovaný popílek, který neprošel SNCR, svou morfologií zrn potvrzuje obecné závěry zmíněné výše. Takový popílek by měl poté svou vhodnou morfologií zrn působit pozitivně taktéž na reologii cementového kompozitu.

Přiložené fotografie zrn popílků po SNCR poukazují na rozdílnost jejich tvaru oproti zrnům popílku z produkce stejné elektrárny, avšak bez aplikace SNCR. Zrna jsou značně nestejnorodá, přičemž původ těchto zrn by mohl být spojen s rozpadavostí zrn původních.

Z tohoto hlediska je patrné, že SNCR, tedy selektivní nekatalytická redukce oxidů dusíku, má negativní dopad na morfologii zrn.

Popílek disponující takto narušenými zrny, která se do jisté míry mohou stávat vysoce nasákavými, by již nemusel působit pozitivně na výslednou reologii kompozitu, a naopak by mohl zvyšovat jeho vodní součinitel pro dosažení požadovaného stupně konzistence. Vysokoteplotní úletový popílek by tak ztratil jednu z vlastností, pro kterou je ve velké míře využíván.

Dopad SNCR na granulometrii popílků

Granulometrie popílků má přímou souvislost s jejich jemností dle ČSN EN 450-1. Většina vysokoteplotních úletových popílků produkovaných v rámci České republiky splňují tuto normu pro jemnost popílků třídy N. Dle fotografií z elektronového mikroskopu lze soudit, že ani popílky, které prošly SNCR nebudou překračovat povolenou jemnost.

Z grafů je patrné, že popílek, který prošel denitrifikací spalin disponuje mírně odlišnou granulometrií oproti popílku klasickému. Popílek po SNCR obsahuje vyšší množství menších zrn, což je v přímé souvislosti s tvrzením vyplývajícím z analýzy morfologie jejich zrn.

Otázkou však zůstává, do jaké míry popílek s takto modifikovanými fyzikálními vlastnostmi bude mít negativní dopad na cementový kompozit z hlediska jeho výroby a následných mechanických parametrů.

Dopad SNCR na reologii cementové pasty

Pasta modifikovaná popílkem obsahovala náhradu 25 % hmotnosti cementu daným popílkem, přičemž množství vody zůstávalo neměnné.

Výsledky reologie potvrzují výše psané závěry. Ze zkoušky reologie je patrné, že mezi popílkem, který prošel SNCR a mezi popílkem, který nebyl SNCR podroben, je patrný značný rozdíl z hlediska jejich dopadu na reologii cementové pasty.

Dle očekávání popílek, který neprošel SNCR působí pozitivně na konzistenci cementové pasty. Naopak popílek, který prošel SNCR reologii cementové pasty znatelně zhoršuje. Potvrzuje se tak, že zrna nepravidelného tvaru, popřípadě shluky vytvořené nejspíše z úlomků rozpadlých zrn popílku po SNCR, jsou značně porézní a vodonáročnější.

Pro dosažení stejného stupně konzistence cementové pasty by bylo nutné navýšit vodní součinitel takového kompozitu. Každé navýšení vodního součinitele však může působit negativním dopadem na výsledné mechanické parametry kompozitu.

Dopad SNCR na index účinnosti

Popílky, které projdou SNCR obsahují jisté množství amonných solí, které se po styku s cementem uvolňují v podobě silně zapáchajícího čpavku. Do jisté míry by však mohl popílek, který prošel SNCR vykazovat rychlejší nástup pucolánové reakce.

Tato teorie se opírá o morfologii zrn tohoto popílku, které by se díky své narušené struktuře mohly rychleji účastnit hydratačních procesů. Z tohoto důvodu byl index účinnosti analyzovaných popílků stanoven ve staří 2, 7 a 28 dnů normového zrání. Výsledky zobrazuje následující tabulka.

Ačkoliv kontaminované popílky amonnými solemi po SNCR vykazují výrazně vyšší indexy účinnosti v počátečních dnech zrání kompozitu, po 28 dnech tyto směsi již často mohou dosahovat mírně nižších hodnot indexu účinnosti než popílky, které SNCR neprošly.

Z pohledu ČSN EN 450-1 a indexu účinnosti se analyzovaný popílek po SNCR pohybuje na hranici využitelnosti dle zmíněné normy.

Závěr

Z pohledu provozovatelů většiny tepelných elektráren na území České republiky se zavedení SNCR do spalovacího procesu jeví jako nejjednodušší varianta, jak naplnit emisní limity. Z pohledu užití vysokoteplotních úletových popílků dle ČSN EN 450-1 však může být jejich využitelnost omezena.

Pomocí několika metod bylo prokázáno, že SNCR má negativní dopad na morfologii zrn produkovaných popílků, což sebou přináší zároveň ovlivnění reologie čerstvých cementových past.

Příspěvek byl vytvořen v rámci řešení projektu č. FAST-J-17-4639 „Optimalizace využitelnosti fluidních úletových popílků pro výrobu betonu.“