SADRŽAJ

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 Termoelektrane na ugalj.......................................................................................15

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 Ugalj u Republici Srbiji..........................................................................................18

2.6.1 Kostolački basen............................................................................................19

2.6.2 Kolubarski basen............................................................................................21

2.7 Postojeće termoelektrane na ugalj u Republici Srbiji............................................23

3 Mehanizam i kinetika sagorevanja uglja u termoelektranama.....................................25

3.1 Vremenski tok procesa sagorevanja ugljene čestice............................................27

3.2 Proračunavanje procesa pri sagorevanju čvrstih goriva........................................29

3.3 Opis proračuna......................................................................................................30

4 Matematički model i proračun nastanka štetnih gasova sagorevanjem uglja..............331

4.1 Glavni deo proračuna............................................................................................34

4.2 Utvrđivanje temperature u ložištu i nivoa emisije NOX..........................................37

4.3 Određivanje koncentracije letećeg pepela............................................................39

4.4 Rekapitulacija rezultata proračuna........................................................................41

5 Poređenje matematičke metode proračuna sa izmerenim vrednostima sastava produkata sagorevanja.......................................................................................................44

5.1 Poređenje 1...........................................................................................................44

5.2 Poređenje 2...........................................................................................................45

5.3 Poređenje 3...........................................................................................................46

5.4 Rekapitulacija poređenja proračunatih izmerenih vrednosti..................................47

6 Procena uticaja sagorevanja uglja na životnu sredinu....................................................49

6.1 Uticaj na vodu.......................................................................................................49

6.2 Uticaj na zemljište i živi svet..................................................................................49

6.3 Uticaj na atmosferu...............................................................................................50

6.3.1 Ugljendioksid......................................................................................................51

6.3.2 Čvrste čestice.....................................................................................................52

6.3.3 Sumporni oksidi..................................................................................................53

6.3.4 Azotovi oksidi.....................................................................................................53

7 Zaključak.........................................................................................................................55

7.1 Predlozi za budući rad..............................................................................................56

8 Literatura.........................................................................................................................57

9 Spisak slika.....................................................................................................................58

10 Spisak tabela.................................................................................................................59

2

1 UVOD

Intenzivan razvoj privrede, brz rast industrijske proizvodnje i porast životnog 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 način proizvodnje predstavljaju strategijska pitanja.

Pri posmatranju ukupnog energetskog kompleksa naše zemlje, značajnu ulogu ima ugalj. Nakon Drugog svetskog rata, on je počeo naglo da se eksploatiše, i bio je usko povezan sa razvojem energetske potrošnje i industrijalizacije.

U sadašnjem trenutku, kada je čitav svet, kao i naša zemlja opsednut problemima energije i načinima za dobijanje energije, i kada je aktuelan problem optimalne strukture proizvodnje i potrošnje energije, smatra se da bi ugalj ponovo trebao da zauzme veoma značajno mesto u energetici i industriji Srbije. Iz ovoga izlazi zaključak da oslanjanje na korišćenje sopstvenih izvora energije predstavlja najlogičniji put dugoročnog 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 „čistih tehnologija“ za eksploataciju uglja, Srbija se može vratiti intenzivnom korišćenju uglja kao osnovnog energenta, ali sa osvrtom na životnu sredinu ovoga puta. Sada, kada u Evropi i Srbiji postoji razvijena svest o životnoj 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, proračun, odnosno modelovanje ovakvih podataka, i predviđanje emisija u budućnosti, pri potencijalnim unapređenjima kada su emisije u vazduh u pitanju.

U skladu sa normama o pisanju stručnih radova, postavljena je struktura rada. Rad se sastoji iz uvoda, četiri glave, zaključka, 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 način 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 životnu sredinu, prevashodno atmosferu. Prikazane su ti štetni gasovi koji nastaju u sagorevanju lignita, i mehanizam njihovog štetnog delovanja.

U četvrtom poglavlju je prikazan mehanizam sagorevanja uglja, i načini sagorevanja uglja u velikim termoenergetskim postrojenjima. Date su teorijske osnove pri modelovanju emisija nastalih sagorevanjem uglja, prevashodno lignita. Prikazan je jedan „generični“ način modelovanja emisija, stehiometrijske jednačine i uslovi, grafikoni značajni za sagorevanje.

3

U petom poglavlju je dat primer modelovanja procesa nastanka emisija štetnih gasova u procesu proizvodnje električne energije iz uglja u termoelektranama.U tom primeru vrednosti su dimenzionisane prema vrsti uglja i tehnologiji naših termoelektrana.

Na bazi prethodnih istraživanja, u poslednjem poglavlju su upoređene matematičke 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 između prognoziranih i izmerenih vrednosti.

4

2 OSNOVNI PODACI O UGLJU I SASTAV UGLJA

2.1 Osnovni podaci o uglju

Ugalj kao energetsko gorivo čovek 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 kreča, i zagrevanje prostorija. Od IX veka počinje istorija rudarenja uglja i masovnog korišćenja kao energetske sirovine uz koju počinje proizvodnja i napredak društva u celini.Iako je tokom šezdesetih i sedamdesetih godina proizvodnja uglja naglo opala, zbog pristupačnosti i jednostavnosti korišćenja naftnih derivata kao goriva, nakon raznih naftnih kriza, danas ugalj predstavlja oslonac energetike Republike Srbije a i mnogih država 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 obezbeđenju 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 istraživanja sastava i strukture ugljeva naše države 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 početka XIX veka, postao je značajan činilac ostvarenog ekonomskog i kulturnog razvitka ljudskog društva

Ugalj, kao značajno prirodno blago koje se crpi iz zemlje je predmet svestrane naučne obrade, tako da danas može, na osnovu raznih naučnih studija, da se jasno sagleda najveći deo problema vezanih za sastav, način postanka uglja, ugljenih ležišta, 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 naučnim metodama ispitivanja uglja moguće je istovremeno unaprediti proizvodne procese i povećavati mogućnost dobijanja ekološki čistijih produkata, sa većom toplotnom moći.

Ako bismo bliže i detaljnije definisali ugalj kao gorivo onda se za njega može 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 močvara, jezera i drugih vodenih basena, biljna materija se pod dejstvom raznih faktora, pretvarala u ugalj.

Intenzitet preobražaja biljne materije u ugljenu materiju zavisio je od dejstva faktora metamorfoze, zbog čega se javljaju različite vrste ugljeva: ligniti, mrki, kameni ugljevi i antraciti. Petrografski sastav, hemijski sastav i fizičke osobine uglja zavise od prvobitne materije, zatim od prisustva neorganske materije, kao i od vrste i intenziteta biohemijskih i geohemijskih faktora koji uslovljavaju preobražaj materije. Složeni sastav uglja i znatno prisustvo ugljenika u njemu (40-95%), omogućile su široku upotrebu uglja.

U hemijskoj industriji ugalj služi 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 sadrži pet osnovnih biogenih elemenata: C, H, O, N i S. Boja uglja je najčešće mrko-crna, tvrdoća 0,5-2,5 kg/cm2, specifične težine 1-1,7. U genetskom smislu ugalj može biti humusni, kada je nastao od kopnenih biljaka i sapropelni kada vodi poreklo uglavnom od nižih biljaka, pre svega, algi. Prema stepenu istraženosti u naslagama mlađeg 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 slučajevima u grafit, dešava se u specifičnoj fizičko-geografskoj sredini i to pod dejstvom bioloških, fizičko-hemijskih i geoloških faktora. Svi navedeni procesi su složeni i vezani su neposredno za transformacije organske materije, koje su u funkcionalnoj vezi sa prirodom materije. Grubo se može uzeti da pod aerobnim uslovima se gubi oko 80% organske materije prilikom razlaganja, a samo 20% ostaje i učestvuje u sintezi uglja.

Pored već pomenutih humusnih, i sapropelnih ugljeva, postoji i međugrupa saprohumoliti. U svakoj klasi razlikuju se podklase tipovi i vrste ugljeva. Ugljevi se takođe mogu podeliti na mrke i kamene, koji obrazuju jedan niz karbonifikacije. Sva svojstva ugljeva pri sagorevanju zavise od petrografskog sastava, stepena karbonifikacije i sadržaja 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 količinom kiseonika (od 30% do 1%) i vodonika (od 6% do 1%). Važne tehnološke karakteristike uglja su količina isparljivih materija, spečenost i sadržaj pepela (Nikolić, 1980).

2.2 Ugalj kao gorivo

Ugalj je najčešća vrsta čvrstog 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 čvrstih goriva u toku procesa karbonizacije

Antracit je najstariji i najkvalitetniji ugalj. On se odlikuje malim sadržajem volatila (lako isparljivih materija). U našoj zemlji ga nema, pa mu se neće posvećivati više pažnje.

Kameni ugalj potiče 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, sadržaj vlage 1 do 10%, a sadržaj mineralnih materija 7 do 39%. U našoj zemlji ga ima veoma malo.

Mrki ugalj je čvrste strukture, drobljiv i nepostojan na vazduhu. Prelom mu je školjkast i ravan, a prelomna površina pokazuje mrko-smeđu boju. Ogreb mu je mrke boje, a donja kalorična moć mu je od 12600 do 24300 kJ/kg. Sadržaj vlage se najčešće 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 najmlađi ugalj, ima drvenastu strukturu, a prelom mu je iverast ili hrapav, dok mu je ogreb svetlo smeđe boje. Odlikuje se niskim sadržajem mineralnih materija (nakon sagorevanja - pepela) i visokim sadržajem vlage. Donja toplotna moć mu znatno varira i uglavnom se kreće u granicama od 6300 do 14600 kJ/kg. Lignit je osnovno,

6

i najvažnije 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 pažnje.

Na slici 1. je prikazan odnos komponenata u drvu i uglju u zavisnosti od starosti materijala.

%100

75

50

25

0 DRVO TRESET LIGNIT MRKIUGALJ

KAMENI UGALJ

ANTRACITPOLU-ANTRACIT

Isparljivi sastojci

Ugljenik

Slika 1. Promena hemijskog sastava čvrstih goriva (Nikolić, 1980)

S obzirom na karakteristike domaćeg lignita, on se troši uglavnom u termoelektranama koje su izgrađene u blizini nalazišta, pošto je neisplativ duži transport zbog niske kalorične moći i visokog sadržaja vlage. Prema SRPS B.H.001 domaći ugljevi se dele na lignitne, mrko-lignitne, mrke i kamene. Ova je podela izvršena na osnovu sadržaja ukupne vlage, donje toplotne moći gorljive mase uglja i sadržaja isparljivih materija u gorljivoj masi.

Ugalj može da se podeli i prema obliku, naime pod rovnim ugljem podrazumeva se onaj ugalj, koji dolazi direktno iz jame ili površinskog kopa. On obično sadrži dosta neorganskih primesa, koji potiču od podine, povlate, i jalovih slojeva koji se nalaze u okviru ugljenog sloja (Nikolić 1990)

Klasirani ugalj je očišćeni ugalj koji se razvrstava prema krupnoći i može biti u vidu: komada, graha, kocke, oraha i sitnijih sortimana. Ovi ugljevi se u stvari prodaju na malo, za individualna ložišta, ili eventualno sitna privatna industrijska postrojenja. Ne koristi se u velikim termoenergetskim postrojenjima.

Takođe prema svojoj nameni ugljevi mogu biti: koksni, polukoksni, gasni, hidrirajući, energetski, briketirajući i drugi.

Koksni ugljevi su kameni ugljevi sa malom količinom isparljivih materija, i koriste se u visokim, metalurškim pećima, pa se o njima neće dalje pričati. To isto važi i za polukoksne

7

odnosno švel ugljeve i hidrirajući ugljevi koji se pri visokoj temperaturi razlažu na katran, tečna goriva i sirovine za hemijsku industriju (Nikolić, 1990).

Takođe postoje i ugljevi za gasifikaciju, a to su svi ugljevi sa sadržajem količinom isparljivih materija preko 30%, i bez mnogo smolnih materija. Postoje eksperimentalna termoenergetska postrojenja koja proizvode energiju nakon gasifikacije uglja, ali ona još nisu zaživela, i ne igraju bitniju ulogu u svetskoj termoenergetici, pa o njima neće biti dalje reči.

Kad su u pitanju energetski ugljevi, za njih je samo bitno da sadrže 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, tačnije mogućnosti egzaktnog modelovanja sagorevanja uglja i samim tim nastanka emisija štetnih gasova, nužno je dobro izanalizirati sastav uglja kao goriva.

Osnovni podaci o kvalitetu uglja dobijaju se izradom tehničke i elementarne analize.

Tehnička analiza obuhvata određivanje sadržaja vlage, pepela, sumpora (ukupnog, u pepelu, i sagorivog), koksa, C – fix-a, isparljivih i sagorljivih materija u uglju – izraženih u % i toplotnu moć (gornju i donju) izraženu u kJ/kg.

Elementarna analiza goriva daje podatke o sadržaju: ugljenika, vodonika, sumpora i zbira azota i kiseonika u uglju (u novije doba se daju i odvojeno), takođe izraženih u procentima.

Precizna hemijska analiza trebala bi da odgovori na pitanje od kojih se jedinjenja i u kojim količinama sastoji dato gorivo. Bez obzira na značaj ovog pitanja, do sada ne postoji metoda koja bi u svim slučajevima mogla da odgovori na njega. Razvojem gasne hromatografije omogućene su kvalitativne i kvantitativne analize različitih ugljovodonika. Najlakše se može izvršiti analiza gasovitih goriva, a najteže čvrstih prirodnih goriva, što je otežavajuća okolnost za ovaj rad. Ugljevi su, može se reći, sastavljeni od nepoznatih hemijskih jedinjenja.

Elementarna analiza pokazuje samo od kojih se elemenata i u kom međusobnom 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 tačno izračunati ni njegovu toplotnu moć. Na slici 2. su ilustrovane komponente unutar uglja (Vuletić, 2004).

8

S N O H CW A

VLAGA

Slika 2. Maseni udeli različitih materija u čvrstom 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 inženjerskim proračunima, pri modelovanju procesa sagorevanja u ložištu, neophodno je znati kako preračunati sa jedne mase goriva na drugu. Sa tabele 1. se može videti način na koji se izračunava odnos između opisanih masa goriva.

Tabela 1. Koeficijenti za preračunavanje opisanih masa goriva (Vuletić, 2004)

Masa goriva Radna Suva Goriva

Radna 1 100100−W

100100−W−A

Suva 100−W100

1 100100−A

Gorljiva 100−W−A100

100−A100

1

Radna masa goriva može da se izrazi u masenim procentima, tako da može da se napiše u sledećem obliku (Manić, 2007).

C+H+O+N+S+A+W=100% (1)

gde su:

C – ugljenik

H – vodonik

9

O – kiseonik

N – azot

A – mineralne materije

W – vlaga

Suva masa goriva prikazana je sledećim izrazom:

C+H+O+N+S+A=100% (2)

Gorljiva masa, kao što je spomenuto, pored ugljenika, vodonika i sumpora, čine i kiseonik i azot, jer se nalaze vezani u gorivu sa gorivim elementima, pa se i oni uključuju u gorljivu masu. Sastav gorljive mase goriva da je sledećim izrazom (Manić, 2007):

C+H+O+N+S=100% (3)

Određivanje sastava uglja je složena hemijska procedura, i u Republici Srbiji i mnogim drugim državama je ovaj postupak definisan serijom nacionalnih standarda. U ovom radu se neće posvećivati veća pažnja objašnjavanju ovih standarda i određivanja sastava pojedinačnih komponenata uglja.

2.4 Komponente uglja

2.4.1 Ugljenik

Ugljenik predstavlja osnovnu komponentu gorljive mase koji pri potpunom sagorevanju u ugljendioksid oslobađa 33900 kJ/kg. Ali, u stvarnom slučaju, ugljenik se u gorivu ne nalazi slobodan, u čistom stanju, nego u vidu organskih jedinjenja sa vodonikom, kiseonikom, azotom, i sumporom, čije raspadanje zahteva određenu količinu toplote, pa se pri sagorevanju goriva ne oslobađa teorijska količina toplote, već nešto manja. Manja za onu količinu toplote koja je potrebna da se izvrši hemijska reakcija raspadanja jedinjenja u kojima je sadržan ugljenik. Ta količina toplote je realno mala i za inženjerske proračune se zanemaruje, odnosno, može da se uzme da je oslobođena količina toplote iz jedinjenja sa ugljenikom jednaka teorijskoj pri sagorevanju čistog, 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.

Količina ugljenika u gorivu određuje kvalitet goriva. Povećanjem sadržaja ugljenika, teorijski se poboljšava kvalitet, jer se osobine goriva približavaju osobina čistog 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 događa u izuzetnim slučajevima, sagoreva u CO, odnosno ugljenmonoksid.

Navedeni tok procesa sagorevanja, kao i slučaj kada se prethodno gorivo i vazduh za sagorevanje zagrevaju pre sagorevanja, daje mogućnost da se izvrši karakteristična 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 značaj pri hemijskoj preradi goriva, i predstavlja izvor za stvaranje čitavog niza organskih jedinjenja. Ugljenik je i glavni deo koksa, koji predstavlja osnovu metalurgije i prerade ruda, i služi za redukciju ruda iz kojiih se dobijaju metali (Vuletić, 2004)

10

Sagorevanje ugljenika iz uglja samo po sebi ne privlači veću pažnju u problematici nastanka emisija štetnih gasova u procesu proizvodnje električne energije u velikim termoenergetskim postrojenjima, jer je ono neminovno i neizbežno.

2.4.2 Vodonik

Vodonik je drugi značajan element gorljive mase, koji pri sagorevanju u vodu oslobađa oko 142350 kJ/kg.U gorivu se takođe nalazi u vidu raznih jedinjenja, najčešće u obliku ugljovodonika i vode. Obično se uzima da je sav kiseonik, koji se nalazi u gorivu, sjedinjen sa vodonikom u vodu, tako da je količina vezanog vodonika određena količinom 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 takođe i razvija izuzetno visoku temperaturu plamena pri stehiometrijskom sagorevanju, čak 1930°C (Manić, 2007).

Kada se određuje količina vodonika u uglju, posmatra se samo onaj vodonik koji može da gori, odnosno vodonik vezan sa kiseonikom u vodi tj vlazi se ne posmatra. Sagoreva u vodenu paru, koja nema negativan uticaj na životnu sredinu, pa sagorevanje vodonika, ne samo da nema negativan uticaj na životnu sredinu, nego predstavlja čist način dobijanja toplotne energije.

2.4.3 Sumpor

Sumpor koji se nalazi u gorivu može 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 oslobađaju izvesnu toplotu. Ta jedinjenja su konkretno ugljenik-sulfid (CS2), gvožđe-sulfid FeS2 ili sumpor-vodonik H2S (Manić, 2007).

Prilikom poređenja izmerenih vrednosti sa proračunatima će biti i objašnjeno da ova teza nije uvek tačna, odnosno da se u produktima sagorevanja može naći količina sumporovih oksida veća od proračunske, 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 električne energije iz uglja. Hemijski gledano, on je takođe nemetal, javlja se u nekoliko izotopa, i oblika, učestvuje 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 slučaju kondenzovanja produkata sagorevanja,načelno vodene pare, može doći do formiranja sumporne i/ili sumporaste kiseline.

Pri oksidaciji sumpora u sumpor-dioksid, oslobađa se 9,420 kJ/kg, a ako oksidiše u sumpor-trioksid, oslobađa se 13,816 kJ/kg. Kako se najveći deo sumpora vezuje u sumpor-dioksid, u proračunima se uzima da jedan kilogram sagorljivog sumpora oslobodi 10,500 kJ (Vuletić, 2004).

Svi ugljevi sadrže izvesnu količinu sumpora, a ono što je dodatno problematično kod dimenzionisanja emisija pri sagorevanju uglja je što sadržaj sumpora u uglju varira dosta, čak i od sloja do sloja. Kameni, masniji ugljevi sadrže više sumpora neko lakši ugljevi, tj mrki ugljevi i ligniti. Udeo sumpora u uglju može biti i preko 8% (Vuletić, 2004).

2.4.4 Azot

11

Azota u gorivu po pravilu ima malo i ne učestvuje 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 određena količina toplote. On se često u elementarnim analizama daje zajedno sa kiseonikom (O+N). (Manić, 2007) U gorivu se nalazi kao ostatak proteinskih materija biljnog ili životinjskog porekla, koje su bile u početnoj materiji za stvaranje goriva, naročito uglja. U gorivu se javlja u sastavu složenih organskih jedinjenja (Nikolić, 1980).

Azot iz goriva po pravilu malo utiče na stvaranje azotovih oksida, već za to je „odgovoran“ azot iz vazduha.

2.4.5 Kiseonik

Kiseonik služi za oksidaciju gorivih elemenata u gorivu. Kiseonik nije gorivi deo goriva, ali potpomaže i omogućava sagorevanje. U gorivima se javlja vezan sa drugim elementima. Količina kiseonika u gorivu smanjuje potrebnu količinu kiseonika iz vazduha neophodnu za sagorevanje. Kiseonik predstavlja balast, jer zauzima mesto gorivim delovima što u oksidovanom stanju sa ugljenikom i vodonikom smanjuje količine toplote koja se dobije sagorevanjem. Visok sadržaj kiseonika nalazi se u drvetu, tresetu, i mlađim mrkim ugljevima, načelno lignitu, a znatno manje kod starijih ugljeva, dok ga kod tečnih i gasovitih goriva praktično nema (Nikolić, 1990)

2.4.6 Isparljive materije

Isparljive materije (volatili) su materije gorljive mase nastale termičkim razlaganjem suve mase goriva pri njenom zagrevanju u sredini bez kiseonika. Produkti termičkog razlaganja mogu biti čvrsti (koks i polukoks), tečni (razne smole, ulja i vlaga) i gasoviti (CO, H2, CO2, CH4 i drugi ugljovodonici). U volatile ubrajamo tečnu i gasovitu frakciju termičkog razlaganja. Što više volatila u uglju, ugalj gori dužim plamenom, a i razvija nižu temperaturu u ložištu u odnosu na koks (Nikolić, 1990).

2.4.7 Vlaga

Vlaga (W) koja se nalazi u gorivu predstavlja štetnu komponentu, jer mu snižava toplotnu moć, povećava zapreminu produkata sagorevanja, usporava proces sagorevanja, snižava temperaturu sagorevanja, smanjuje sipkost i potpomaže 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 – najčešće u obliku kristalne vode (Vuletić, 2004).

U tehničkim proračunima zanemaruje se sadržaj konstitucione vlage, tako da ukupnu vlagu možemo da predstavimo zbirom grube i higroskopske svedemo na isti vid goriva (Vuletić, 2004):

W=W g+W h(100−W g)

100(%) (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 često nazivaju pepeo, i obeležavaju sa A. Pepeo je skoro neizbežan sastojak goriva i predstavlja balast u gorivu. I najčistiji ugljevi ga sadrže, makar nekoliko procenata. Mineralne materije (pepeo) predstavljaju balast goriva. Njihovo prisustvo snižava toplotnu moć, otežava mlevenje ( kod kotlova koji sagorevaju ugalj u sprašenom stanju), erodira zagrevne površine kotla, pogoršava uslove zapaljivanja goriva, izaziva šljakovanje (kod ložišta u kojima se loži ugalj u sloju) u sloju uglja koji gori i prouzrokuje šljakovanje zagrevnih površina (Vuletić, 2004).

Hemijski sastav pepela pokazuje da je on identičan sastavu stena i čvrstog materijala iz zemljine kore. U njemu nalazimo anhidride kiselina: silicijuma, sumpora, ugljenika, fosfora, hlora, i baza: gvožđa, 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 različitih vrsta ugljeva.

Ovaj niz primesa u ugljevima, pri sagorevanju na visokim temperaturama prati niz preobražaja koji idu do raspadanja. Ostatak koji po završenom procesu sagorevanja ostaje, nesagorivi deo, predstavlja proizvod potpune oksidacije i razlaganja svih mineralnih materija, sadržanih 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 sadžale 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 različitih 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 tečljive. Njihov „kvalitet“ se određuje sledećim karakteristikama: temperaturom omekšavanja pepela, temperaturom topljenja pepela, temperaturom topljenja pepela, temperaturom razlivanja pepela i temperaturom tečenja 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 količinu toplote koja se oslobodi hlađenjem 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 količina toplote koju pri potpunom sagorevanju oslobodi 1 kg čvrstog goriva pri čemu 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.

H d=H g−25,2 (9H+W ) (5)

gde su:

Hd – donja toplotna moć

Hg – gornja toplotna moć

Kod nas se obično 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 reči). 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 može izračunati za čvrsta i tečna goriva preko sledeće empirijske formule (Nikolić, 1980):

H d=340C+1030H−109 (O−Sg )−25,2W (6)

Ova vrednost je izražena u kJ/kg, a sadržaj pojedinih komponenti je dat u masenim procentima. Ova formula je samo jedna od mnogih empirijskih formula koje su dobijene u različitim istraživanjima od strane različitih institucija. Tačna toplotna moć se može dobiti testiranjem uglja u kalorimetru. Vezom između izmerene toplotne moći i sastava uglja se dolazi do takve empirijske formule, koja može biti više ili manje tačna. 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 slučaju da isporuka lignita ima manju donju toplotnu moć od proračunske, dolazi do kospaljivanja sa mazutom.

Kod čvrstih goriva je važno poznavati sortiman goriva, i mehaničku čvrstoću uglja, zbog *njegovog mlevenja. Mehanička čvrstoća uglja je veoma različita za razne vrste uglja i zavisi od vrste uglja, sadržaja i kvaliteta mineralnih materija, geološkog sastava i strukture uglja (Manić, 2007).

14

Od ostalih karakteristika čvrstih goriva interesantno je još poznavati njihovu gustinu. Pri tome se razlikuje stvarna gustina koja iznosi oko 1,44 kg/dm3 i nasipnu gustinu koja se odnosi na gustinu uglja u nasipnom stanju, pri čemu su u zapreminu uračunate i šupljine između čestica goriva. Ona zavisi od vlažnosti, granulometrijskog sastava i stepena sabijenosti goriva koji zavisi i od vremena (Manić, 2007).

Prilikom planiranja i raznih preračunavanja, često se koristi termin uslovno gorivo, čija je donja toplotna moć jednaka 29300 kJ/kg. Ova veličina se koristi pri sumiranju raznih toplotnih resursa, upoređenje specifičnih utrošaka na jedinicu energije (prozvedene ili predate potrošačima), kao i pri sprovođenju tehno-ekonomskih proračuna (Joksimović-Tjapkin, 1981)

2.5 Termoelektrane na ugalj

Termoelektrana na ugalj je jedan od tipova termoelektrani koja sagoreva fosilno gorivo u cilju proizvodnje električne energije. Termoelektrane su obično dizajnirane kako bi mogle raditi kontinualno i mnogo godina, sa minimalnim zastojima. U mnogim zemljama, pa i Republici Srbiji, ovakve elektrane pružaju većinu proizvedene električne energije. Termoelektrane imaju rotirajuće mašine koje pretvaraju toplotnu energiju sagorevanja u mehaničku energiju koja dalje pokreće generator. Primarni pokretač 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 količinama.

U termoelektrani koja radi po Clausius Rankine-ovom kružnom ciklusu, postoje dva osnovna trakta kroz koja protiču materija i energija, a nemaju fizičkog kontakta između sebe. Prvi se može 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 teče kroz vertikalno postavljene ekranske cevi u kotlu gde se zagreva i na kraju isparava, i pregreva se. Ona protiče prvo kroz ekonomajzer (23), zatim bubanj (17) i na kraju u pregrejač (19), gde se zagreva na visoke parametre. Para se tada konstatno propušta kroz turbinu visokog pritiska (11), prvoj od tri turbine u tipičnoj termoelektrani. Glavni ventil (10) se može kontrolisati automatski ali i manuelno u slučaju 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 dvoprotočnu turbinu niskog pritiska (6). Izlazna para vrlo niskog pritiska, malo iznad temperature ključanja se dovodi u toplotni kontakt sa hladnom vodom koja se pumpa pumpom rashladne vode (2) u ovom slučaju iz rashladne kule (1), (ali može 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 zagrejaču niskog pritiska (13) zatim se podiže na visok pritisak uz pomoć napojne pumpe (nije obeležena brojem). Nakon toga ceo ciklus počinje od početka.

15

Turbine su obično na istoj osovini, bez reduktora, sa trofaznim električnim generatorom (5) koji stvara struju srednjeg napona, a ona se podiže sa transformatorom (4) na napon koji je podesan za prenos na velike daljine trofaznim dalekovodom (3)

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 zagrejaču vazduha (24) i potiskuje ventilatorom (20). Mešavina sprašenog uglja i toplog vazduha ulazi velikom brzinom i pod velikim pritiskom u ložište 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 obično predaju preostalu toplotu napojnoj vodi u predgrejaču odnosno regenerativnom zagrejaču napojne vode i svežeg vazduha. Jedan deo mineralnih materija ostaje na dnu kotla i sliva se u vidu šljake (18). Sirovi dimni gas se povlači od strane odsisnog ventilatora (26) kroz uređaje za prečišćavanje dimnog gasa, što je u ovom slučaju (i najčešće samo) elektrostatički filter (EF) (25). Nakon toga dimni gas biva potisnut kroz dimnjak (27).

Za potrebe ovog rada neće biti više zadržavanja na traktu „voda – para“, jer je on tek posredno povezan sa emisijama štetnih gasova u procesu proizvodnje električne energije. Najviše će pažnje 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 uređaja). Ali, osnovni gubitak toplote (oko polovine ukupne toplote koju sadrži gorivo) nastaje u kondenzatoru. Ovo je neminovno zbog prirode Clausius Rankine-ovog kružnog ciklusa. Prilikom kondenzacije pare oslobađa se velika količina toplote koja u kondenzatoru zagreva rashladnu vodu sa kojom odlazi u reku ili veštačko jezero, ređe u atmosferu.

2.5.4 Kotlovsko postrojenje

Za pretvaranje hemijske energije goriva u toplotnu služi kompleks uređaja 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 znači voda u tečnom stanju na nadpritisku i iznad 100 °C) kotlovi, koji se koriste za centralno zagrevanje prostora, a pošto se oni ne koriste za proizvodnju električne energije u termoelektranama o njima neće biti više reči. Parni kotlovi se nekad nazivaju i kotlovski agregat, a poslenjih godina se sve češće 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, oslobađaju toplotu i zagrevaju produkte sagorevanja. Od produkata sagorevanja toplotna energija se predaje radnom telu koje se zagreva na gore opisan način.

Prema tome, u kotlovsko postrojenje je neophodno dovesti određenu količinu goriva i vazduha, obezbediti potpuno sagorevanje goriva, i predaju toplote od produkata sagorevanja radnom telu i odvođenje produkata sagorevanja. Zatim dovoditi vodu pod određenim pritiskom zagrejati do potrebne temperature i pretvoriti je u paru, odvojiti vlagu iz pare, paru pregrejati (Perunović, 1979).

Osnovni delovi samog kotla su: ložište, zagrejač vode (ekonomajzer), pregrejač pare i zagrejač vazduha. Za ostvarenje svog zadatka pored samog kotla, kotlovsko postrojenje obuhvata (Perunović, 1979):

uređaj za dovod i pripremu goriva uređaj za dovod svežeg vazduha uređaj za odvod šljake, odnosno pepela koji je na dnu peći uređaj za odvod produkata sagorevanja (odsisni ventilator i dimnjak) ispred koga se

postavlja uređaj za izdvajanje pepela iz produkata sagorevanja, najčešće elektrofilter

uređaj za hemijsku i termičku pripremu vode sa izdvajanjem gasova (degazacijom) napojni uređaj, odnosno pumpa

Svi ovi uređaji se postavljaju u objektu koji se naziva kotlarnica, a u njoj se nalazi i uređaj za držanje određene rezerve goriva (kotlovski bunker), uređaje za pripremu goriva, odnosno mešanje sa vazduhom i njegov dovod do gorionika (pneumatske cevi i oprema). Sastavni deo kotlovskog postrojenja su i merno – regulacioni uređaji i pribora koji omogućavaju praćenje i kontrolu procesa sagorevanja u generatoru pare. Osim navedenog, izvan kotlarnice se najčešće postavljaju uređaji za istovar i transport čvrstog

17

goriva po deponiji uglja, njegovo sortiranje, drobljenje i mlevenje i dovod do kotlarnice. Takođe se tu nalaze i uređaji za odvod šljake odnosno pepela iz kotlarnice do deponije pepela.

Kao što se vidi, procesi koji se odvijaju u kotlovskom postrojenju su veoma složeni i raznoliki: priprema goriva za sagorevanje; sagorevanje goriva; predaja toplote; zagrevanje, isparavanje i pregrevanje vode; odnošenje soli sa parom i njihovo taloženje; 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 složeni kompleks elemenata i pomoćnih uređaja, i da se karakteriše raznim fizičko – hemijskim procesima. Zato je konstruisanje i izrada savremenog generatora pare izvanredno složena i zahteva mnogo truda. Potpuna automatizacija rada kotlovskih agregata postala je moguća tek na bazi najnovijih naučnih i tehničkih 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. Proračun parnog kotla se vrši obično u odnosu na trajno maksimalnu produkciju pare. Trajno maksimalnom produkcijom se naziva najveća produkcija pare, koju parni kotao može proizvoditi u toku dužeg vremenskog perioda pri održavanju 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 količini toplote sagorenog goriva, ne uzimajući u obzir toplotu ekvivalentnu utrošku električne energije za sopstvene potrebe. Ovaj utrošak električne energije može 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 električne energije svih uređaja jedne termoelektrane dovoljno je reći da Termoelektrana „Nikola Tesla“ (TENT) A ima snagu na generatoru 1650,5 MW, a na pragu 1502 MW, što znači da je snaga ukupnih potrošača 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. Međutim ugljevi Republike Srbije ne spadaju u kvalitetne energetske sirovine, ni prema međunarodnoj, ni prema domaćoj podeli. Kameni ugljevi se odlikuju visokim sadržajem sumpora, a neki i visokim sadržajem pepela. Mrki ugljevi Republike Srbije imaju takođe visok sadržaj 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 ograničenu 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 ekonomična proizvodnja.

Iz karakteristika naših ugljeva jasno proizlazi da njihova eksploatacija, prerada i korišćenje nanose štetu čovekovoj okolini i da iz tog razloga treba kod njihove primene svesti na minimmum zagađenje životne sredine primenom najsavremenijih tehnologija za njegovo smanjenje ili potpuno neutralisanje.

Karakteristike rovnog uglja kao goriva, nisu najpovoljnije, jer je zbog sadržaja balasta, odnosno vlage i mineralnih materija neujednačene granulacije i sastava, a zbog toga i niske toplotne moći, upotreba ograničena na neposrednu blizinu nalazišta. Uz nepovoljan regionalan raspored, sa navedenih karakteristikama, proizilazi da se tek kroz oplemenjivanje uglja može da se dobije proizvod čija je primena, manje ili više, daljinski i ekonomski neograničena.

Istovremeno, direktno korišćenje niskovrednih goriva u raznim tehnološkim procesima kod kojih se zahtevaju visoke temperature, do sada ostvarivane tečnim i gasovitim gorivima, nije moguće. Ugalj se zato tehnološkom ili hemijskom preradom, dovodi u takvo stanje da u potpunosti može da zameni goriva koja se primenjuju u visokotemperaturskim tehnološkim procesima, kao i pri direktnom sagorevanju za dobijanje električne 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 električne energije. TE Morava, koja je ranije koristila kvalitetan ugalj iz Resavsko-Moravskog basena, nakon velike nesreće u rudniku, sada koristi pretežno kolubarski ugalj, jer su otkopavanja na Resavsko-Moravskom basenu svedeni na minimum.

2.6.1 Kostolački basen

Kostolački 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 istočnoj Srbiji. Naročito je ugljonosan između Kostolca i Požarevca, 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.

19

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 lignita u Republici Srbiji, ili 18,4% u Kraljevini Jugoslaviji bio glavni proizvođač 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. Sadrži 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 Kostolačkog basena:

Tabela 4. Tehnička 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 8.160-8.577 8.824

A na tabeli 5. se može videti prosečan sastav pepela ugljeva sa ovog ugljenog basena.

Tabela 5. Hemijski sastav pepela uglja Kostolačkog 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

20

K2O 0,87 As2O3 0,012

NiO 0,034

Ugljena materija prema svom petrografskom sastavu i rezultatima imedijatne analize može 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 nižem stepenu karbonizacije ugljena, materija ima niske toplotne vrednosti. Sem kao sirovina za sagorevanje u industriji i termoelektranama, može se upotrebljavati za sagorevanje u širokoj potrošnji, ali i za proizvodnju švel koksa. Čak se može i briketiirati (Nikolić, 1990).

2.6.2 Kolubarski basen

Kolubarski basen je jedan od najvećih basena lignita u Republici Srbiji, nalazi se južno od Beograda. Počeo je da se eksploatiše oko 1910. godine. Prva termoelektrana je napravljena 1936. godine u okviru basena, tačnije u Vreocima. Od tada počinje pravo interesovanje za Kolubarski basen i njegova prava istorija jednog modernog rudnika koji je prerastao u praktično najvećeg giganta ugljarske i elektroprivrede. Kolubara, koja protiče kroz basen deli čitav tercijarni zaliv na dva dela: Kolubarski na istoku i Posavsko-tamnavski na zapadu. Kolubarski deo basena zahvata preko 600 km2 površine. Dolinom reke Kolubare je široko otvoren prema rekama Savi i Dunavu. Južno i jugoistočno od Uba, u dolini Kolubare se javljaju znatne količine 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 49-54 3-12 0,35-0,76 6.482-9.205

21

Ugljeni sloj je složene građe, prošaran proslojcima glina i peskova. Sadrži generalno oko 50% vlage, 10% pepela i oko 0,5% sumpora. Zbog većeg prisustva vlage, toplotna 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 takođe pozamašne, oko 1/3 se može otkopati površinskim putem, pri čemu 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

Elementarna analiza

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

Analiza pepela

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 0,0922

TiO2 (%) 0,65 0,71 0,88

Na2O (%) 0,18 0,46 0,69

K2O(%) 0,91 1,01 1,34

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 četiri 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 građene i blokovi puštani u pogon u periodu od 1956 – 1991. godine (većina u 70-tim i 80-tim godinama). Iako nisu konstrukciono sve bile iste u trenutku izgradnje, vremenom njihove karakteristike u domenu zagađenja životne sredine štetnim gasovima su svedene na vrlo sličan nivo, jer su starijima naknadno ugrađeni elektrofilteri (umesto multiciklona ili vrećastih filtera koji su bili prvobitno namešteni), dok su novijim TE primenjena su tadašnja aktuelna rešenja u cilju smanjenja zagađenja vazduha, tj montirani elektrofilteri još pri izgradnji što se tada smatralo kao dovoljna mera smanjenja zagađenja u svetskim normama. Nijedna termoelektrana u Republici Srbiji u trenutku pisanja ovog rada nema uređaje za smanjenje emisije sumporovih i azotovih oksida kao što su FGD (Flue Gas Desulfurisation) postrojenja i postrojenja SKR/SNKR (Selektivne Katalitičke Redukcije i Selektivne NeKatalitičke 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)

PD TENT

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

PD TE KO Kostolac

TE Kostolac A 2 281 1.865

23

TE Kostolac B 640 3.012

Termoelektrane Nikola Tesla uzima praktično 100% uglja sa površinskih kopova Kolubare, jedino TE Morava u ređim slučajevima koristi ugalj iz Kostolačkog basena. U prošlosti je TE Morava koristila kvalitetni mrki ugalj iz Resavskog basena, odnosno okoline Aleksinca, međutim pošto se, kao što je napomenuto, ovaj basen izuzetno malo eksploatiše, sada koristi gore pomenuti lignit nižeg kvaliteta. Iako je kolubarski lignit lošiji od kostolačkog, što je na prethodnim stranicama već objašnjeno. Potrošnja uglja ovih elektrana nekad može biti i 150.000 tona na dan. Trenutno na njima se ulažu 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 početa 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. Kostolački ugalj je boljeg kvaliteta nego kolubarski, ujednačeniji je, sadrži 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 mrežu 1991. godine (EPS podaci).

24

3 MEHANIZAM I KINETIKA SAGOREVANJA UGLJA U TERMOELEKTRANAMA

Za potrebe ovog rada potrebno je detaljno razjasniti proces sagorevanja unutar ložišta jednog velikog termoenergetskog postrojenja. Pod sagorevanjem uglja podrazumeva se brzo hemijsko vezivanje sagorljivih sastojaka u gorivu. Ovo znači da je sagorevanje veoma složen fizičko-hemijski proces u kome se iz goriva oslobađa hemijski vezana toplota uz dobijanje produkata sagorevanja (pepela sa dimnim gasovima). Gorivo u ložištu može sagorevati potpuno ali i nepotpuno, što zavisi od nekoliko faktora, od čega je najbitniji vazduh, odnosno kiseonika, vrste i tipa ložišta, hemijskog sastava goriva, vlažnosti 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 čađi (C). Nepotpuno sagorevanje javlja se u slučaju nedovoljne količine vazduha, odnosno kiseonika, ili nedovoljno dobrom „izmešanošću“ uglja i vazduha. Zato tada dim je crn, i čađavi površine u kontaktu sa njim.

Postoje tri osnovna načina loženja uglja u velikim termoenergetskim postrojenjima, prikazanih na slici 4. To su loženje u sloju (odnosno na rešetki), loženje u sprašenom stanju, i loženje u fluidizovanom sloju.

Čvrsto gorivo kao što je ugalj sastoji se od gorive mase, vlage i pepela, kao što je već spominjano. Sve materije zajedno izdejstvuju prilikom sagorevanja različite osobine i otežavaju na taj način proučavanje procesa sagorevanja. Na ovaj način se stalno menja slika sagorevanja kao rezultanta pojedinih procesa a koji se obavljaju vremenski nezavisno a sa različitim intenzitetom (Perunović 1979).

Slika 4. Načini loženja uglja (http://en.wikipedia.org/wiki/File:Combustion_systems_for_solid_fuels.gif)

Loženje u sloju je najstariji, dobro poznat način sagorevanja uglja, njega karakteriše prolaz vazduha za sagorevanje kroz sloj mirujućeg ili pokretnog sloja čvrstog goriva različitog sortimana kojeg napušta u obliku dimnih gasova. Pri tome se postiže efikasnost sagorevanja koja u velikoj meri zavisi od težine pojedinih komadića goriva. Nakon Drugog

25

svetskog rata, usled stalnog povećavanja snaga termoenergetskih postrojenja, kotlovi sa loženjem na rešetki postaju polako prevaziđene. Rešetke u ložištima su dostigle maksimalne razmere, pa je njihovo daljnje povećanje bilo nemoguće. Prakitčno, dužina rešetke je ograničena na oko 7-8 m, a širina generatora pare je ograničena ekonomičnim razmeštajem zagrevnih površina pojedinih njegovih elemenata. Pošto se u modernim termoenergetskiim postrojenjima ovaj način loženja više ne koristi, neće biti daljnjeg zadržavanja na njemu.

U težnji za daljim povećanjem kapaciteta generatora pare, pristupilo se sagorevanju sprašenog uglja u prostoru. Ukratko, ovaj način se zasniva na tome da se ugalj spraši u mlinovima na izuzetno male čestice, prečnika dosta ispod 1 mm. Zatim se ovako sprašen ugalj meša sa predgrejanim vazduhom i zajedno se uduvava u ložište relativno velikom brzinom gde sagoreva u izuzetno kratkom vremenskom intervalu, bez nagomilavanja na nekoj od površina ložišta. Ovaj način sagorevanja ima znatne prednosti u odnosu na sagorevanju uglja u sloju, od kojih su najvažnije (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 čak do 450°C koja je

kod rešetaka iznosila najviše do 200°C; sagorevanje u prostoru je elastičnije od sagorevanja u sloju, pa se lakše postiže

ravnomernost parametara pare i pri bržim promenama opterećenja;

Sagorevanje u prostoru ima u odnosu na sagorevanje u sloju izvesne nedostatke od kojih su najvažniji (Perunović, 1979):

za sprašivanje uglja troši se znatna količina energije; sprašivanje prouzrokuje habanje čeličnih delova mlinskog uređaja zbog čega se ovi

delovi posle izvesnog vremena moraju menjati najveći problem u domenu zaštite životne sredine je što najveći deo mineralnih

materija napušta ložište zajedno sa produktima sagorevanja, zbog čega je na izlazu iz kotla obavezna ugradnja filtera za pepeo;

u većini slučajeva je potrebno ugalj pre melevenja sušiti, što zahteba povećanje kotlarnice.

Konstrukcija ložišta pri sagorevanju ugljene prašine se bira u zavisnosti se bira u zavisnosti od vrste i osobina goriva i od veličine kotla. Ugljeve sa visokim sadržajem pepela je podesno sagorevati u ložištima sa suvim režimom odvođenja mineralnih materija. U cilju intenzifikacije procesa sagorevanja goriva koja slabo reaguju i u cilju smanjenja emisija letećeg pepela primenjuju se ložišta sa tečnim režimom odvođenja mineralnih materija. Pri ovom načinu sagorevanja osetno raste gubitak toplote sa tečnom šljakom, ali zato opada gubitak usled mehanički nepotpunog sagorevanja. Gorionici za ugljenu prašinu se najčešće postavljaju na uglovima prizmatičnog ležišta, ili frontalno na jednom ili dva naspramna zida (Perunović, 1979).

U Republici Srbiji sva termoenergetska postrojenja za proizvodnju električne energije iz uglja imaju ložišta za loženje uglja u sprašenom stanju, tako da ovakav tip loženja u interesu istraživanja ovog rada. Problematika sagorevanja čestica ugljenog praha je izuzetno složena, i uglavnom same teoretske postavke i rešenja ne mogu dati zadovoljavajuće rezultate s obzirom na izrazitu složenost kompleksa problema. Velika pažnja se mora posvetiti eksperimentalnim vrednostima, i rezultatima merenja, kao i bilansiranju supstanci koje učestvuju 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 čvrstog goriva i inertnog materijala, kao što je krečnjak. Kroz ovaj sloj prolaze mlazevi vazduha koji stvaraju turbulentnu mešavinu gasova i čvrstih materija. „Ključajuće“ okruženje koje liči na ključajuću tečnost, stvara efektivnije hemijske reakcije i prenos toplote. Kotlovi sa ovakvim loženjem su fleksibilniji u odnosu na kotlove sa loženjem sprašenog uglja, jer se mogu koristiti raznovrsniji komadići uglja, različitijih 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 način 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 pojedinačne čestice ugljenog praha i zakonitosti raspodele po veličini polidisperznog skupa čestica ugljenog praha. Mogući matematički model sagorevanja skupa čestica ugljenog praha zasniva se na nizu jednačina (Stojiljković i dr. 2009):

jednačine strujanja nosećeg gasovitog fluida (vazduha) za stacionarno turbulentno stanje;

jednačine kretanja nošenih čestica ugljenog praha; jednačine difuzije; jednačine sagorevanja pojedinačne čestice ugljenog praha; jednačine zakona raspodele čestica po veličini u skupu; jednačine razmene toplote pojedinačne čestice ugljenog praha; jednačine razmene toplote skupa čestica ugljenog praha sa okolinom; jednačine razmene toplote skupa čestica ugljenog praha sa okolinom.

Rešavanje ovog sistema diferencijalnim jednačinama u opštem slučaju je izuzetno složeno a dobijena rešenja uvođenjem uprošćenja ne daju uvek zadovoljavajuće rezultate. Velika pažnja je posvećena i eksperimentalnim istraživanjima. 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 ložištu velikog termoenergetskog postrojenja, nužno je znati detaljan tok procesa sagorevanja čestice uglja u prostoru.

Sagorevanje čestice ugljenog praha vrlo često se definiše i ocenjuje vremenom sagorevanja, jednom od polaznih proračunskih komponenata prilikom konstruisanja ložišta. Ovo je uslovna podela, i zapravo ovim četiri fenomena u sagorevanju prethodi isparavanje ukupne vlage goriva, grube i higroskopske. Vreme sagorevanja čestice 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 četiri 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 delimično i osporavana, radi daljeg objašnjavana biće zadržana radi lakšeg izlaganja.

Period zakašnjenja paljenja gorivih isparljivih materija karakteriše period devolatilizacije što je u stvari proces termičkog razlaganja uglja. Mehanizam izdvajanja volatila je veoma složen 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, količinom i sastavom dobijenih produkata može 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 tečne (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 čine metan, vodonik i ugljenmonoksid.

Period sagorevanja gorivih isparljivih materija počinje njihovim paljenjem, što kod goriva sa većim sadržajem gorivih isparljivih materija, kao što su naši ligniti pale se na nižim temperaturama, a količina toplote nastale sagorevanjem gorivih isparljivih materija povišava temperaturu čestice 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 dostiže 5% kod antracita.

Period zakašnjenja paljenja koksnog ostatka može a ne mora da postoji uopšte. Sagorevanjem gorivih isparljivih materija kod ugljeva sa većim sadržajem volatila nastaje dovoljna količina toplote za paljenje koksnog ostatka, pa ovaj period ni ne postoji. Koksni ostatak sadrži neisparljiva jedinjenja ugljenika i mineralne materije, tj pepeo.

Period sagorevanja koksnog ostatka predstavlja najznačajniju fazu sagorevanja čestice ugljenog praha, ne samo zato što sagorevanjem koksnog ostatka nastaje najveća količina 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 istraživača, ili bolje rečeno kolektivnog uma istraživača u jednoj širokoj oblasti nauke je da matematički opiše procese i da na taj način omogući njihovo predviđanje, analizu i optimizaciju. Ova aktivnost ima ime matematičko modelovanje, i može imati različite neposredne ciljeve (Stojiljković, 2001):

Da opiše procese koji su ispitivani u nekom pojedinačnom eksperimentu i da na taj način omogući otkrivanje uticaja veličina koje u eksperimentu nisu ispitivane, da omogući da se odrede fizičko-hemijske osobine koje upravljaju procesima (na primer, brzina odvijanja hemijskih reakcija oksidacije), daju fizičko objašnjenje dobijenih rezultata i omoguće predviđanje procesa u drugim uslovima. Ovi modeli se nazivaju istraživački modeli

Da se opiše skup pojedinačnih, ali međusobno povezanih, fizičkih i hemijskih procesa koji se istovremeno odigravaju u posmatranoj sredini, i na taj način otkrije međusobnu povezanost, uticaj i značaj pojedinih procesa. Ova vrsta modela predstavlja osnovu i prvi korak ka postavljanju modela koji treba da posluže u praktične inženjerske svrhe, za proračun i projektovanje realnih postrojenja. Iz toga sledi da će se ovakva vrsta matematičkog 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 proračunu i projektovanju realnih postrojenja, i konačno posluže kao svakodnevni inženjerski alat, za proračun realnih postrojenja i njhovih režimskih i eksploatacionih veličina. Poseban tip ovih modela namenjen je regulaciji i promeni snage – odnosno vođenju pogona postrojenja.

Prve dve vrste modela pored istraživačkog i obrazovni karakter i značajno doprinose razvoju i sticanju osnovnih znanja o ispitivanim pojavama. Razvojem i korišćenjem ovakvih modela istraživači i inženjeri se obučavaju da logično fizički i hemijski razmišljaju i uočavaju povezanost mnogobrojnih procesa koji se u realnim postrojenjima odigravaju. Te vrste modela razvijaju se uglavnom na univerzitetima i u naučnim radovima, u čiju kategoriju ulazi i ovaj rad sa svojom tematikom. Za razvoj treće vrste modela univerziteti uglavnom i instituti obično nemaju dovoljno sredstava a ni interesa, da samostalno razvijaju ove velike i kompleksne projekte.

Prilikom postavljanja i razvoja modela mora se voditi računa i o mogućnosti neposredne provere. Mogućnost neposredne provere modela često je i ograničavajući faktor pri izradi modela, i utiče na način razrešavanja mnogih dilema. Modeli prve grupe mogu se proveravati na malim, često sitnim eksperimentima, koji se tako organizuju da se omogući ispitivanje samo jedne pojave, i uticaj nekoliko karakterističnih veličina.

Modeli druge grupe mogu se proveriti na osnovu rezultata ispitivanja sagorevanja goriva u eksperimentalnim ložištima i pilot postrojenjima jednostavnije geometrije i uprošćene konstrukcije, koja omogućavaju merenje lokalnih veličina, ili već na dobijenim vrednostima dobijenih već obavljenim merenjima.

Modeli treće grupe proveravaju se kao i modeli druge grupe, ali njihova konačna provera se mora vršiti upoređivanje sa rezultatima ispitivanja demonstracionih i probnih industrijskih postrojenja u pogonu, najčešće merenjem integralnih pogonskih parametara.

29

Ipak osnovu svakog modela moraju činiti podmodeli, prethodno detaljno provereni na laboratorijskim eksperimentima (Stojiljković, 2001).

3.3 Opis proračuna

Proračuni sagorevanja obuhvataju materijalne i energetske bilanse, što podrazumeva izračunavanje potrebne količine vazduha za sagorevanje, količine i sastave produkata sagorevanja, temperature sagorevanja, i koeficijenta iskorišćenja goriva.

Stvarni procesi sagorevanja se odigravaju u složenim uslovima prenosa mase i toplote, ali u ovim proračunima sagorevanja se, u cilju uprošćenja, usvaja da je gorivu potpuno izmešano sa vazduhom, i da se proces odvija adijabatski. Ova usvajanja čine proračune mnogo prostijim i omogućavaju izračunavanje gornje granice efikasnosti sagorevanja, dok je realna efikasnost sagorevanja manja za nekoliko procenata od ove vrednosti. Takođe, u proračunima se obično usvaja da je sagorevanje uvek potpuno ako je količina kiseonika dovedena u proces veća ili najmanje jednaka minimalnoj potrebnoj količini 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 proračunava rad kotla u kada je sagoreva gorivo u stacionarnom režimu, 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 računa 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 nužno gorivu dovesti „višak vazduha“ radi poboljšavanja stepena potpunosti sagorevanja, a koje je u modernim kotlovima koji lože ugalj u sprašenom stanju oko 99-99,5 %. Taj višak vazduha se obeležava sa λ, i računa se na sledeći način:

λ= LLmin

≥1 (5)

gde su:

L – stvarna količina vazduha u ložištu

Lmin – minimalna količina vazduha za potpuno sagorevanje

Kod ložišta sa loženjem sprašenog uglja, ovaj višak vazduha je u intervalu 1,2-1,4

Hemijske reakcije koje se odvijaju u procesima sagorevanja protiču preko složenih i često nepoznatih mehanizama. Međutim, za proračune materijalnih bilansa potrebno je samo poznavanje početnog i krajnjeg stanja. Osnovni zadatak stehiometrijskih proračuna procesa sagorevanja je postavljanje tačno i na jednostavan način stehiometrijskih odnosa za elemente koji sagorevaju u gorivu.

Tip modela odnosno proračuna sagorevanja goriva koji se u ovom radu koristi u literaturi ima naziv „Klasičan stehiometrijski proračun čvrstog goriva“ (Joksimović-Tjapkin, 1981), a izračunavanje teorijske temperature sagorevanja posmatranog uglja se dobija bilansiranjem zapreminskih entalpija. Iako je primarna svrha proračuna sagorevanja uglja

30

toplotni proračun kotla, u ovom radu je svrha proračuna zapravo analiziranje i dimenzionisanje dimnih gasova.

Ovaj metod proračuna ima neke empirijski dobijene vrednosti, ali se i zasniva na primeni Avogadrovog zakona, prema kome se u određenoj zapremini pri istom pritisku i temperaturi nalazi uvek isti broj molekula idealnog gasa. Osnova ovog zakona proizilazi da specifična težina idealnih gasova odgovara njihovim molekulskim masama. Za proračun 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 takođe, ovaj model je nastao u vreme kada je ipak toplotni učinak goriva bio daleko bitniji od bilo kakvih nastajanja štetnih gasova. Nastajanje sumporovih oksida je delimično 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.

Takođe, u ovom proračunu su zanemarene energija i produkti visokotemperaturskih transformacija mineralnih materija iz uglja, jer je ona za osnovne inženjerske proračune nebitna, i kao i proračun azotovih oksida, nije smatrana za pojavom vrednom posmatranja. Uticaj tih mineralnih materija na životnu sredinu tek je kasnije shvaćen.

Ono što je novina, je to što autor pokušava da u ovaj model integriše i proračuna i emisiju pepela uzimajući u obzir konstrukciju ložišta. Takođe je pokušano da se napravi veza između ovog proračuna i funkcije nastajanja azotovih oksida sagorevanjem uglja u velikim termoenergetskim kotlovima. Uz proračunatu teorijsku temperaturu sagorevanja u ložištu u koju je uračunato smanjenje temperature zbog viška vazduha, može se naći zavisnost i teoretski odrediti količina azotovih oksida. Takođe, dodatno je određena proračunska emisija dimnih gasova nakon prolaska sirovog dimnog gasa kroz elektrostatički filter.

Kada je u pitanju računsko određivanje 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 može naći neka pojednostavljena zavisnost nastajanja NOX od uslova u ložištu. Jedina primenljiva takva zavisnost koja se tiče lignita (Stojiljković, 2001) je i primenjena u ovom radu.

Ovaj model iako je bazičan i generičan u današnje vreme, je ipak uzet u cilju pojednostavljenja ovog inače vrlo kompleksnog problema, i približavanja ga inženjerima koji su nešto manje upućeni u ovu problematiku. Tako su neke od komponenata sistema idealizovane i pretpostavljene da rade uvek u ustaljenom režimu, bez promena i nestacionarnih stanja, što nije slučaj u stvarnosti.

Ovaj metod proračuna se sastoji od uslovno rečeno od tri dela:

određivanje količine kiseonika, odnosno vazduha za sagorevanje određivanje količine ukupne količine produkata sagorevanja i količine pojedinačnih

produkata sagorevanja određivanje teorijske temperature sagorevanja (nestehiometrijske, odnosno

uzimajući u obzir višak vazduha)

A autor ovog rada je povezao proračun na način na koji je gore objašnjen i dodao mu još i:

određivanje količine emitovanih azotovih oksida u zavisnosti od temperature koje gorivo razvija u ložištu

31

određivanje količine emitovanog pepela, kako u sirovom dimnom gasu, tako i u obrađenom, odnosno nakon napuštanja elektrofiltera

Ova istraživanja 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 tačnost 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, računski 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 proučili, potrebno je obezbediti i podatke hemijske analize goriva o čemu je bilo reči 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 sadrži 21% zapreminski kiseonika i 79% azota, a izraženo u masenim procentima obuhvata 23% kiseonika i 77% azota.

Za potrebe inženjerskih proračuna zanemarujemo gasove koji se nalaze u malim, praktično zanemarljivim zapreminskim procentima, a to su argon (0,9%), ugljendioksid (0,038%), a zanemaruje se i vlaga u vazduhu. Takođe veoma mala količina azota iz vazduha se oksiduje kako bi stvorila azotove okside, ali oni zapreminski gledano, predstavljaju zanemarljivu transformaciju. Ipak, kao što je poznato, oni predstavljaju značajnu pretnju životnoj sredini, ali autor ovog dela njih pokušava dimenzionisati prema već objašnjenom načinu, a ne preko stehiometrijskih proračuna.

Da bi se dobila normalna količina vazduha za sagorevanje nekog goriva, mora se naći naći minimalna količina vazduha za 1 kg goriva, uz pomoć njegovog hemijskog sastava. Obično je hemijskom analizom prethodno utvrđen sastav goriva i njegovi elementi. Da bi odredili teoretsku količinu vazduha (Lmin) za 1 kg goriva, potrebno je odrediti količinu 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 (karakteristično za ložišta za sprašeni ugalj). Takođe 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 odražava na povišenje donje toplotne moći.

33

Sagorive materije obuhvaćene ovim proračunom 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:

C+O2→CO2 (7)

Odnosno izraženo u kilogramima ili molima:

12kgC+32kgO2→44 kgCO2 (8)

1molC+1molO2→1molCO2+Q (9)

Za vodonik:

2H 2+O2→2H 2O (10)

Odnosno izraženo u kilogramima ili molima:

4 kg H 2+32kgO2→36kg H 2O+Q (11)

2mol H 2+O2→2mol H 2O (12)

Za sumpor:

S+O2→SO2 (13)

Odnosno izraženo u kilogramima ili molima:

32kgC+32kgO2→64kgC O2 (14)1 mol S+1molO2→1mol SO2+Q (15)

4.1 Glavni deo proračuna

Pošto se ugalj najčešće računa u masi, tj u kilogramima ili tonama, masene udele ćemo pretvoriti u bezdimenzione odnose kilograma pojedinačne supstance u kilogramu goriva, koje ćemo obeležiti malim slovima, za razliku od procentualnih masenih udela koji su velikim slovima:

c=0,454

o=0,1636

s=0,0082

h=0,0545

n=0,005

w=0,1968

Nakon ovoga, iz ovih reakcija se dobija osnovna formula za određivanje molarne minimalne količine kiseonika za sagorevanje, u koju se dalje ubacuju bezdimenzioni maseni udeli elemenata goriva koje se sagoreva, a time se i dobija ova količina izražena u kilomolima kiseonika po kilogramu goriva (primetimo da udeo kiseonika unutar goriva smanjuje teoretsku minimalnu količinu kiseonika iz vazduha, kao i da pretpostavljamo da sav sumpor u gorivu može da sagori u sumpordioksid):

OminM = c

12+ h4+ s32

− o32

=0,047kmolO2kgg

(16)

34

Zatim se ova vrednost množi 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:

OminZ =22,414

mO2

3

kmolO2∙Omin

M =1,045mO2

3

kgg(17)

Nakon što je ova vrednost dobijena, moramo izračunati 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:

LminZ =

OminZ

ωO2

z =1,0450,209

=4,998mvaz3

kgg (18)

Zatim se može odrediti i stvarna zapremina vazduha za sagorevanje, množeći minimalnu zapreminu vazduha za sagorevanje sa koeficijentom viška vazduha λ. Tako bi se dobila realna zapremina vazduha za sagorevanje kilograma goriva:

LstvZ =1,2Lmin

Z =5,997mvaz3

kgg(19)

Ukupna količina produkata sagorevanja se onda određuje, i to sa poznatim koeficijentima odnosa u reakcijama oksidacije u odnosu „kilogrami elemenata goriva-kubnim metri produkata sagorevanja“. Četvrti sabirak predstavlja azot koje (usvojeno) inertan u celom ovom procesu. Za vlagu u gorivu postoji predposlednji sabirak je obrazac prema kojem se određuje koliko kubnih metara vodene pare nastaje od te vlage, a poslednji sabirak je obrazac koji prosto dodaje kiseonik koji je unešen u ložište kao višak vazduha. Tako dobijamo i ovu vrednost:

V psz =1,867c+11,2h+0,7 s+0,79 Lstv

Z +0,8n+ 22,41418

w+0,21(λ−1)LminZ

(20)

V psz =6,66

m ps3

kgg

Nakon ovoga možemo raščlaniti ove produkte sagorevanja na njihove elemente i time izračunati zapremine pojedinih komponenti u produktima sagorevanja. Kao što je već pomenuto, ovaj model ne predviđa nastajanje azotovih oksida, i nastajanje letećeg pepela, kao ni sumportrioksida, tako da su sledeće komponente dimnog gasa određene:

V CO2

z =1,867c=0,848mCO2

3

kgg(21)

V H 2Oz =11,2h+

22,41418

w=0,855mH 2O3

kgg(22)

V SO2

z =0,7 s=0,0057mSO2

3

kgg(23)

V N2

z =0,79 LstvZ +0,8n=4,742

mN 2

3

kgg(24)

35

V O2

z =0,21 ( λ−1 ) LminZ =0,21

mO2

3

kgg(25)

Pri čemu je:

V psz =V CO2

z +V H 2Oz +V SO2

z +V N 2

z +V O2

z , odnosno V psz =∑

i=1

5

V iZ (26)

Sada možemo i izračunati procentualni sastav produkata sagorevanja, tako što ćemo zapreminu posmatrane komponente podeliti sa ukupnom zapreminom produkata sagorevanja, i pomnožiti sa sto posto:

wCO2

z =V CO2

z

V psz 100%=12,726% (27)

wH 2Oz =

V H 2Oz

V psz 100%=12,844% (28)

wSO2

z =V SO2

z

V psz 100%=0,086% (29)

wN 2

z =V N 2

z

V psz 100%=71,193% (30)

wO2

z =V O2

z

V psz 100%=3,151% (31)

Mnogi propisi za zaštitu životne sredine se sastoje od granične vrednosti emisija zagađujućih materija u dimnim gasovima i definišu referentne uslove koji se primenjuju na te dimne gasove. Na primer jedna takva odredba je i granična vrednost emisije sumpordioksida od 2000 mg/m3, ili u dimnom gasu preračunatom na O°C i pod pritiskom od 1013 mbar, a sadržaj kiseonika u jedinici zapremine otpadnog gasa u zavisnosti od vrste ložišta treba da iznosi od 3 do 11%. (Pravilnik o graničnim vrednostima emisije, načinu i rokovima merenja i evidentiranja podataka.). Takođe mnogi propisi za zaštitu životne sredine predviđaju predstavljanje „suvih“ produkata sagorevanja, što znači da se izuzme vodena para iz produkata sagorevanja, i procentualno predstave produkti sagorevanja „svedeni“ na „suvu“ zapreminu dimnog gasa. Pre upoređivanja i analize rezultata Instrumenti koji se koriste za merenje sastava dimnih gasova obično 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 proračunu, zapremina produkata sagorevanja je već svedena na atmosferski pritisak i datu temperaturu što se vidi množenjem količine u molima sa „22,414 m3/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 V H 2O

z :

V suvz =1,867c+0,7 s+0,79Lstv

Z +0,8n+0,21 ( λ−1 )LminZ (32)

V suvz =5,805

msuv3

kgg

36

A zatim ponovo izračunati procentualne zapreminske udele materija u suvom dimnom gasu:

wCO2

zsuv=V CO2

z

V suvz 100%=14,601% (33)

wSO2

zsuv=V SO2

z

V suvz 100%=0,099% (34)

wN 2

zsuv=V N 2

z

V suvz 100%=81,684% (35)

wO2

zsuv=V O2

z

V suvz 100%=3,616% (36)

Od ovih supstanci, SO2 se najčešće 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 može pretvoriti u masenu koncentraciju:

xSO2=wSO2

zsuv 104M(0,08205T )

=2827mgm3 (37)

gde je:

M – molarna masa sumpordioksida

Ova vrednost može delovati visoka, ali za to postoji objašnjenje, a to je da novija istraživanja 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 proračunate.

4.2 Utvrđivanje temperature u ložištu i nivoa emisije NOX

Nakon utvrđivanja ovih vrednosti, može se utvrditi temperatura koja vlada u ložištu, preko koje možemo proceniti i količinu azotnih oksida. S obzirom da je entalpija vazduha mala, i varira u zavisnosti od vlage i temperature (0 kJ/kg sa 90% vlažnosti i -7°C, a može biti i 100 kJ/kg sa 70% vlažnosti i 35°C) ova vrednost se u ovom koraku toplotnog bilansa zanemaruje. U ovom koraku će se odrediti teorijsku temperaturu u ložištu, bez toplotnih gubitaka. Može se prema ovim usvajanjima postaviti i jednačina energetskog bilansa koja na levoj strani predstavlja toplotnu moć goriva, a na desnoj proizvod zapremine produkata sagorevanja i zapreminske entalpije tih gasova:

H d=∑i=1

5

V iz ∙ hi

z (38)

Zapreminske entalpije zavise od temperature, a ona je upravo i nepoznata vrednost u ovoj jednačini. Način menjanja entalpije dimnih gasova je predstavljen u tabeli 9:

37

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 jednačine dobija se jednostavna kvadratna jednačina tipa ax2+bx+c=0 (neće biti ovde napisan proces uprošćavanja, jer je preobiman, a i nepotreban, jer se ova vrednost danas dobija računskim softverom). Ova kvadratna jednačina se rešava prema poznatom obrascu, gde se dobijaju dva rešenja:

x1=−18943,78 °C ; x2=1808,53° C

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 slične male otvore u kotao. Takođe 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. Takođe se javljaju mali gubici zbog toga postoji i vlaga u vazduhu. Ove pojave izazivaju gubitke µgub koji se mogu prikazati kao određeni procenat ukupne toplote koju gorivo pruža. Njih u našem slučaju možemo aproksimirati na 10%. Tako ćemo je uvrstiti u jednačinu:

H d−µgubH d=∑i=1

5

V iz ∙h i

z (39)

odnosno, kad se sredi:

(1−µgub)H d=∑i=1

5

V iz ∙ hi

z (40)

Tako se onda dobija realnija temperatura sagorevanja od oko 1674 °C.

Kada smo ovo utvrdili, možemo 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 sadržaja azota u uglju, a intenzitet promena promptnog NOX zavisi od količine i vrste ugljeničnih jedinjenja, ove promene koncentracije su osrednjene za slučaj sagorevanja domaćeg uglja. U nastavku je prikazan osnov za proračun, 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 može uvideti i koncentracija NOx u dimnom gasu u zavisnosti od temperature ložišta, što je prikazano u tabeli 10.

Tabela 10. Koncentracija azotovih oksida u dimnom gasu

Temperatura ložišta

Gorivi NOX Termički 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 nužno korigovati dobijene vrednosti.

4.3 Određivanje koncentracije letećeg pepela

U smislu ovog proračuna, pretpostavićemo da se radi o termoenergetskom postrojenju koje ima kotao sa loženjem uglja u sprašenom stanju, i da je suvo odvođenje pepela sa dna kotla. Ovo je u našim termoelektranama praktično najčešći tip kotla, a karakterističan 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

39

(u većini slučajeva 80%) pepela ne uspeva da se „slegne“ na dno ložišta, nego zbog svoje lakoće odlazi sa strujom vrelih dimnih gasova prema dimnjaku. Samo teže čestice pepela, oko 20% od ukupnih mineralnih materija se sležu i odvode pneumatski iz ložišta, što je i detaljnije opisano u prvoj glavi.

Prikazivanje letećeg pepela se takođe obično prikazuje u miligramima pepela po metru kubnog dimnog gasa. U proračunu na početku ove glave je izračunata ukupna zapremina dimnih gasova pri sagorevanju kilograma posmatranog uglja. Zapremina dimnih gasova je:

V psz =6,66

m ps3

kgg

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 pronalaženje zapremine koristićemo obrazac:

V pep=aρpep

(41)

gde je:

ρpep – gustina pepela

gde se masa pepela izražava preko udela pepela u uglju na sledeći način:

A=11,99%→a=0,12kgpepkguglja

a pošto je u našem slučaju za proračun uzeta masa od jednog kilograma uglja, sledi da je:

a=0,12kg pep

Gustina pepela nam nije poznata još uvek, ali je možemo izračunati preko sledeće formule, poznavajući gustine i masene udele pojedinih komponenti u pepelu:

ρpep=∑i=1

n

wnρn (42)

gde su:

wn – maseni udeo komponente u pepelu,

ρn – gustina komponente pepela.

U tabeli 11. se vidi prosečan 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 (Baščarević i dr.)

Komponenta Mas.udeo (%) Gustina (kg/m3)

SiO2 53,80 2648

40

Al2O3 20,72 4100

Fe2O3 7,23 5242

CaO 8,74 3350

MgO 2,64 3580

ostalo 6,87 -

Pošto je krajnje nepraktično izračunati gustinu ove smeše uzimajući u obzir sve komponente, komponente grupisane u poslednju stavku, „ostalo“ možemo zanemariti, a to će zanemarljivo uticati na ovaj proračun. Ukoliko ovo uradimo, moramo preračunati 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 možemo i izračunati gustinu smeše pepela prema navedenom obrascu:

ρpep=wSiO2ρSiO2+w Al2O 3

ρAl2O3+wFe 2O3ρFe 2O3+wCaO ρCaO+wMgO ρMgO=3264,32

kg

m3

Pa nakon toga možemo izračunati i zapreminu pepela dobijenog sagorevanjem kilograma posmatranog uglja:

V pep=aρpep

=0,0000367m3 (42)

Iz ovoga se vidi da pepeo u odnosu na prethodno izračunatu 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, možemo i odrediti koncentraciju pepela u sirovom dimnom gasu. Masa pepela koja odlazi sa vrelim dimnim gasovima je:

0,8a=0,09592kg

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:

0,09592∙106mgV ps

z =14402mgm3 (43)

41

Međutim kao i za ostale vrednosti, bitno je proračunati koncentraciju zagađujuće materije u suvom dimnom gasu, tako da je u stvari koncentracija u suvom dimnom gasu:

x A=0,09592 ∙106mg

V suvz =16523 mg

m3

Iako je ova vrednost dosta visoka, to nije ipak ništa iznenađujuće jer ovaj sirovi dimni gas mora da prođe kroz sistem elektrofiltera pre nego što biva ispušten u atmosferu.

42

4.4 Rekapitulacija rezultata proračuna

U tabeli 13. sledi rekapitulacija proračunatih vrednosti suvog dimnog gasa na izlasku iz ložišta kotla, a pre ulaska u elektrofilter.

Tabela 13. Proračunate vrednosti elemenata suvih produkata sagorevanja na izlasku iz ložišta

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 ložišta po Pravilniku o graničnim vrednostima emisija neophodno preračunati gornje parametre za slučaj referentnog sadržaja kiseonika u jedinici zapremine otpadnog gasa na 6% (za ložišta na ugljenu prašinu sa suvim odvođenjem pepela), dolazi do korekcije parametara. Vrednosti se preračunavaju prema sledećem obrascu (Chakraborty, 2007):

xr=xm(21−r )(21−m) (44)

gde su:

xr – korigovana koncetracija u suvom dimnom gasu uzimajući u obzir referenti sadržaj 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 slučaj dobijamo:

xr=0,863xm (45)

Sada možemo prikazati korigovane vrednosti maseno zapreminskih koncentracija:

Tabela 14. Korigovane vrednosti elemenata suvih produkata sagorevanja na izlasku iz ložišta

Materija Maseno zapreminske konc. (mg/m3)

SO2 2439

NOX kao NO2 1346

43

Leteći pepeo 14259

Poređenja radi, biće prikazana i tabela 15. koja je iz Pravilnika o graničnim vrednostima emisije (GVE):

Tabela 15. GVE za ložišta na ugalj (Pravilnik o graničnim vrednostima emisije, načinu i rokovima merenja i evidentiranja podataka)

Vrsta materije

Toplotna snaga ložišta (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 izraženi kao SO2 2000 1450 650

Azotni oksidi izraženi kao NO2 1.000 800 450

Gasovita neorganska jedinjenja fluora izražena kao HF

30 30 15

Gasovita neorganska jedinjenja hlora izražena kao HCl

200 200 100

Prema ovome vidimo da parametri produkata sagorevanja, odnosno vrednosti koncentracija SO2 i NO2 iz ovog proračuna prevazilaze granične vrednosti emisije prema ovom pravilniku.

Najveći broj energetskih ložišta na ugalj u Republici Srbiji ima toplotnu snagu od oko 100-250 MW, a za njih je granična vrednost emisije praškastih materija 100 mg/m3. Da bi bio zadovoljen ovaj standard, elektrofilter mora da ima koeficijent korisnog dejstva koji ćemo dobiti preko sledeće jednačine:

µEF≥(1−x A EF

x A)∙100% (46)

gde su:

xAEF – koncentracija praškastih materija nakon izlaska iz elektrofiltera

xA – koncentracija praškastih materija pre ulaska u elektrofilter

µEF≥99,299%

Moderni elektrofilteri imaju nazivni koeficijent korisnog dejstva od oko 99,8%, pa i više. Međutim njegov koeficijent korisnog dejstva opada tokom godina i oni ne mogu bez

44

nadograđivanja uspeti da postignu trenutno važeća pravila o emisijama praškastih materija. Koeficijenti korisnog dejstva starih elektrofiltera je obično oko 90-93% što je u 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.

45

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 prilično težak zadatak, autor je uspeo da pribavi jedan ovakav izveštaj. Inače, ovakve stvari prema Arhuskoj konvenciji (čija 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, između ostalog, prema „Pravilniku o graničnim vrednostima emisije, načinu i rokovima merenja i evidentiranja podataka“ ova preduzeća su u obavezi da dostavljaju redovne izveštaj o rezultatima merenja emisija štetnih i opasnih materija nadležnom ministarstvu. Ovi podaci su bili od velike dragocenosti pri izradi ovog rada, kako bi se u potpunosti mogla uporediti ova metoda proračuna sa eksperimentalnim merenjima.

U naposletku sledi nekoliko primera poređenja ove matematičke metode sa praktičnim merenjima procesa sagorevanja i analizom produkata sagorevanja.

5.1 Poređenje 1

Ovakva analiza je odabrana iz naučnog 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%

H=2,1%

O=8,9%

N=0,8%

S=1,13%

W=40,33%

A=23,66%

Ovaj ugalj sagoreva u kotlu termoelektrane sa viškom vazduha λ=1,6. Udeo sumpora koji je naveden predstavlja ukupni sumpor, ali je u naučnom 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 5000-7000 mg/mn

3, a referentna vrednost koja je uzeta za ovaj proračun je 6590 mg/mn3

(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 matematičkim modelom izračunavanja koncentracija sumpordioksida iz prethodne glave ovog rada. Kada stavimo gore navedene početne vrednosti u matematički model, izlazne vrednosti su (biće prikazane samo relevantne vrednosti):

V SO2

z =0,0071mSO2

3

kggV O2

z =0,287mO2

3

kgg

46

V suvz =3,587

msuv3

kgg

wO2

zsuv=7,99%

wSO2

zsuv=0,19%

xSO2=5667 mg

m3

xSO2

r =6530 mgm3

Može se uporediti dobijena vrednost sa vrednošću iz naučnog rada i procentualno prikazati grešku između proračunate vrednosti i eksperimentalne vrednosti:

ε=|1− x izmx pror|=1% (47)

gde su:

xizm – izmerena vrednost koncentracije

xpror – proračunata vrednost koncentracije

5.2 Poređenje 2

Na isti način se upoređuje i eksperimentalna merenja iz TE Ugljevik koja se nalazi u Bosni i Hercegovini. Ova termoelektrana je poznata po tome što ima praktično 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 %

H=6,79 %

O=4,02 %

N=3,02 %

S=5,5 %

W=25,70 %

A=23 %

Pretpostavićemo da ovaj ugalj sagoreva pri višku vazduha λ=1,2 i da je stepen emisije sumpora 0,9. S obzirom na visok sadržaj 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/mn

3.

U nastavku slede izlazne vrednosti proračuna iz ovog rada, sa početnim vrednostima goriva iz Ugljevika.

V SO2

z =0,03465m SO2

3

kgg

V O2

z =0,197mO2

3

kgg

V suvz =5,316

msuv3

kgg

wO2

zsuv=3,72%

wSO2

zsuv=0,652%

xSO2=18612 mg

m3

xSO2

r =16141 mgm3

47

I kada opet uporedimo ovu proračunatu vrednost u odnosu na vrednost dobijenu merenjima, dobićemo razliku, odnosno „grešku“ između izmerene i prognozirane vrednosti, procentualno:

ε=|1− x izmx pror|=22%

5.3 Poređenje 3

Na analogan način se mogu uporediti i izmerene vrednosti emisija iz TENT bloka A sa proračunatim vrednostima dobijenim matematičkim modelom, a zatim možemo i uporediti proračunske i proračunate koncentracije. U ovom poređenju se može 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 %

H=1,93 %

O=5 %

N=4 %

S=0,4 %

W=19,7 %

A=15 %

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 slučaju.

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. Nažalost ostale vrednosti koncentracija u dimnom gasu ne posedujemo u izveštaju. Jedina još moguća vrednost koja se može uporediti je udeo kiseonika u dimnom gasu koji iznosi 7%. Možemo uporediti ove rezultate sa rezultatima matematičkog proračuna sagorevanja ovog uglja u datim uslovima.

Zatim možemo i prikažemo rezultate proračuna, odnosno zapremine relevantnih produkata sagorevanja:

V SO2

z =0,0028mSO2

3

kgg

V O2

z =0,218mO2

3

kgg

V suvz =3,296

msuv3

kgg

wO2

zsuv=6,6%

Proračunata temperatura ložišta je 1100 °C, a za ovako relativno nisku temperaturu je odgovoran visok višak vazduha u ložištu kao i ne tako visok udeo ugljenika u uzorku uglja.

48

Sada možemo proračunati na poznat način i koncentraciju letećeg pepela u sirovom dimnom gasu Kao što je već spominjano, način loženja 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:

A=15%→a=0,15kgpepkguglja

Masa pepela koja odlazi sa vrelim dimnim gasovima je:

0,8a=0,12kg

A kada to podelimo sa zapreminom suvih dimnih dobićemo i koncentraciju pepela u suvim produktima sagorevanja u jedinici mg/m3:

x A=0,12 ∙106mg

V suvz =36407 mg

m3

I napokon, kada korigujemo ovu koncentraciju na udeo kiseonika od 6% u suvom dimnom gasu, kako nalažu pravilnici, dobićemo koncentraciju merodavnu koncentraciju:

x A=37924mg

m3

I ukoliko usvojimo da EF ima nominalni stepen korisnog dejstva od 99,8%, dobićemo izlaznu koncentraciju letećeg pepela iz elektrofiltra prema utvrđenoj jednačini:

x A EF=75 mg

m3

Možemo napokon uporediti proračunatu vrednost koncentracije letećeg pepela pred EF sa izmerenom i procentualno prikazati grešku između njih:

ε=|1− x izmx pror|=11,7%

Na isti način možemo uporediti proračunatu i izmerenu vrednost koncentracije letećeg pepela nakon izlaska iz EF:

ε=33,3%

A možemo uporediti i prikazati i grešku između proračunate vrednosti sadržaja kiseonika u produktima sagorevanja sa izmerenom vrednošću:

ε=6%

5.4 Rekapitulacija poređenja proračunatih izmerenih vrednosti

Iako nažalost u prethodnim primerima nisu uvek poređene iste koncentracije, usled nedostatka eksperimentalnih podataka, nephodno je napraviti zaključak iz ovakvih rezultata, i napraviti pregled proračunatih i izmerenih vrednosti prikazan u tabeli:

49

Tabela 16. Uporedni prikaz proračunatih i izmerenih vrednosti

Vrednost koja se poredi

Proračunata vrednost

Izmerena vrednost

Razlika

xSO2

r

6530mg

m36590

mg

m3

1%

xSO2

r

16141mg

m312500

mg

m3

22%

x Ar

37924mg

m333500

mg

m3

11,7%

x Aefr

75mg

m350

mg

m3

33,3%

wO2

zsuv 6,6% 7% 6%

Iako ovi podaci donekle prikazuju ispravnost ovog matematičkog 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 između ostalog. Za sada, na sadašnjem nivou ovog istraživanja, moramo se zadovoljiti sa ovakvim rezultatima, koja su uglavnom čisto teoretska. Teoretska konstrukcija procesa je, doduše, ono što se i očekuje od inženjerskog pristupa nekom procesu.

50

6 PROCENA UTICAJA SAGOREVANJA UGLJA NA ŽIVOTNU SREDINU

Iako termoelektrane na ugalj predstavljaju jedan od najjeftinijih vidova dobijanja električne energije, njihov uticaj na životnu sredinu postoji, i jeste značajan u odnosu na bilo koji drugi vid dobijanja električne energije. Celokupan proces dobijanja električne energije od uglja, počevši od otkopavanja uglja u rudnicima, tj otvorenim kopovima, preko primarne obrade tj čišćenja uglja, pa transporta i na kraju dorade i spaljivanja ima značajan uticaj na životnu 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 potiču prilikom iskopavanja uglja, prilikom čega 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 toksičnosti dospevaju u podzemne vode, kao i mnoge mineralne soli. Takođe može doći do proceđivanja voda iz jalovine i ostalih otpadnih materijala i u potoke, koji zatim zagađuju reke. Takođe je reč o sličnim zagađivačima, što čini ove vodotokove opasnim za korišćenje u poljoprivredi

Takođe, u toku rada termoelektrana, javljaju se relativno velike količine otpadnih voda koje su zauljene, ali i velika količina vode koja je iskorišćena za kondenzaciju pare u procesu i ispuštena u reku, kada se javlja tzv. termalno zagađenje. U tom slučaju prirodni ciklusi živog sveta u reci bivaju poremećeni jer se uvodi promena u temperaturi koja postoji tokom čitave godine. Takođe prilikom remonta i održavanja termoelektrana javlja se veliki broj otpadnih voda usled ispiranja opreme raznim sredstvima za otklanjanje nečistoća i kamenca.

6.2 Uticaj na zemljište i živi svet

Otkopavanje uglja na površinskim kopovima ozbiljno narušava predela koji se eksploatiše. U velikom broju slučajeva bivši rudnici uglja bivaju napušteni prirodna konstitucija tog prostora biva trajno uništena. Slojevito otkopavanje uništava potpuno trenutnu vegetaciju, i menja topografiju tog prostora. Čak i postoje slučajevi kada objekti od istorijske važnosti, ili objekti važni ljudima bivaju uništeni zarad otkopavanja uglja. takođe je prisutno veliko zagađenje bukom, i prašinom usled konstantog rada mašina na kopovima, i kamionima koji transportuju opremu i potrošni materijal. Iskopavanje uglja praktično uništava sve estetske elemente predela koji se odpočne eksploatisati. Poseban problem na otkopima uglja predstavlja spontano zapaljenje ugljenih polja koje je vrlo teško ugasiti i prekinuti. Ovo izgaranje uglja može da traje i nekoliko godina dok se ne ugasi u potpunosti.

51

Površinsko kopanje uglja stvara kako direktne, tako indirektne štete živom svetu koji živi na tom predelu. Uticaj na njih se uglavnom sastoji od izmeštanja populacije, prekidanja životnog ciklusa i narušavanje prirodnog predela. Neki od uticaja su kratkog veka, neki su dugotrajni, i dugosežni uticaji sa velikim posledicama. Često nakon napuštanja i rekultivacije ovih prostora, živi svet se teško vraća na te površine Činjenica je da čak i male izmene su neprihvatljive okolini ovih životinja, jer one nisu u mogućnosti da se adaptiraju na izmene usled otkopavanja rudnika. Raspon moguće štete je vrlo različit. Često takođe zbog potreba počinjanja otkopavanja uglja, određene reke i jezera bivaju isušeni ili neka suva područja bivaju iskorišćenja radi preusmeravanja reka i potoka. Ovo nepovratno uništava vodene faune tih vodotokova. Takođe sedimenti u okolnim rekama počinju da akumuliraju teške metale koji potiču 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 stručno zovu „kasete“. Jedna kaseta može imati desetak hektara ili više. Obično, kako bi se sprečilo razvejavanje pepela, potrebno je držati površinu kasete vlažnom, što zahteva ogromne količine vode. Ove kasete mogu lako zagaditi podzemne vode, usled izvesnog proceđivanja padavina kroz njih u zemljište. Kasete sa pepelom su potencijalne opasnosti za region u kojem se nalaze, jer mogu izazvati ekološku nesreću u slučaju izlivanja u obližnje vodotokove, što se može desiti usled intenzivnih padavina, ili usled tehničkog problema u konstrukciji. U ovim kasetama se nalaze velike količine 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 životnu 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 načina, najčešće prema agregatnom stanju (gasoviti, tečni, čvrsti).

U štetne materije spadaju:

Ugljenmonoksid CO

Sumporovi oksidi SO2 i SO3

Azotovi oksidi NO i NO2

Leteći pepeo i prašina različitih sastava, sa teškim metalima, gar, tj čađ (nesagoreli ugljenik)

52

Vodene kapljice – aerosoli sa rastvorenim štetnim materijama u sebi

Hloro- i fluorovodonici HCl i HF

Štetne materije mogu poteći iz nepoželjnih primesa koje se nalaze u gorivu, ili nastati nepotpunim i nesavršenim sagorevanjem.

U prvu grupu spadaju jedinjenja sumpora, teški metali, i vodonično halogena jedinjenja. U drugu grupu spadaju ugljenikmonoksid i nesagoreli ugljovodonici. Njihovo nastajanje se kod stacionarnih postrojenja može smanjiti relativno malim zahvatima i održavati u zadovoljavajućim granicama, samim time se u osnovnim inženjerskim proračunima i često zanemaruje (Joksimović-Tjapkin, 1981).

U nastavku će samo biti reči o najznačajnijim zagađivačima 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 čestica.

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 1015 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 područja, a u zatvorenom prostoru može dostići i desetostruku koncentraciju u odnosu na spolja.

Ugljendioksid je gas staklene bašte. Iako mnogi naučnici se zalažu 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 početka 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 ugljenična kiselina (H2CO3). Ova kiselina se vraća na zemlju sa kišama i ostalim kiselinama nastalih iz sumporovih i azotovih oksida. Ovaj fenomen se ne može sprečiti tako za razliku od nastajanja sumporne kiseline u atmosferi. Srećom, ugljenična kiselina je blaža 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 električne energije iz fosilnih goriva je zaslužno za velik deo emisija ugljendioksida od strane ljudi. Od svih fosilnih goriva, sagorevanje uglja za stvaranje električne energije stvara najviše ugljendioksida po jedinici proizvedene električne 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.

53

6.3.2 Čvrste čestice

Jedan od glavnih problema rada termoelektrana na ugalj je emisija čvrstih čestica (u engleskoj terminologiji particulate matter, PM). Čvrste čestice su izuzetno sitne čestice suspendovane u dimnom gasu. I čvrste čestice mogu nastati iz prirodnih dešavanja (erupcije, šumski požari), mada količina čvrstih čestica emitovanih prirodnim putem je zanemarljivo mala u odnosu na količinu emitovanu od čovekovih delatnosti. Povećani nivoi suspendovanih čestica su povezane sa raznim bolestima disajnih organa kod čoveka.

Mineralne, nesagorive materije u uglju su uglavnom arsen, belirijum, bor, kadmijum, hrom, kobalt, olovo, mangan, živa, molibden, selen, stroncijum, talijum i vanadijum, kao i dioksine i policiklične aromatične ugljovodonike (engleski PAH).

Postoji više tipova čvrstih čestica nastalih u postrojenjima koja sagorevaju ugalj. Najveći deo čvrstih čestica iz procesa sagorevanja uglja je leteći pepeo, ali sekundarni sulfati i nitrati mogu činiti značajan udeo u emisiji čvrstih čestica iz industrijskih postrojenja koja koriste ugalj kao gorivo. Leteći pepeo nastao sagorevanjem uglja je zapravo ostatak sagorevanja uglja, tako da se načelno 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 može da sadrži i neke od sledećih vrlo opasnih i uglavnom kancerogenih materija: arsen, berilijum, bor, kadmijum, hrom, kobalt, olovo, mangan, živa, molibden, selen, stroncijum, talijum, i vanadijum, kao i dioksine i policiklične aromatiče ugljovodonike (engleski PAH).

Postoji dobro poznata klasifikacija ovih čestica prema veličini ekvivalentnog prečnika: PM10,PM2.5, PM1. Takođe u ležištima uglja se nalaze izvesne količine 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 količine uglja dovodi do značajne emisije ovih elemenata. Termoelektrana od 1000 MW na ugalj može da ispusti do 5,2 t uranijuma godišnje, i 12,8 t torijuma. Poređenja radi nuklearna elektrana od 1000 MW bi potrošila oko 227 kg plutonijuma i stvorila 30 tona visoko radioaktivnog otpada. (IAEA FAQ)

Takođe, možda najmasovnije zagađivanje teškim metalima iz termoelektrana predstavlja emisija žive. Živa je izuzetno opasan polutant koji ima osobine akumulacije i aglomeracije kroz lanac ishrane. Pogotovo je izražena akumulacija žive u vodenom živom svetu u rekama u okolini termoelektrana. Živa se ispušta u obliku metil-žive i termoelektrane predstavljaju velik, ako ne i najveći izvor ovog toksičnog jedinjenja u atmosferu i vodu.

Stalno kumuliranje zagađujućih materija u okolini je posebna briga za ovakve polutante, zbog njihove hemijske strukture. To se pogotovo odnosi na živu i dioksine. Ovi polutanti ne nestaju iz okoline nikad, odnosno njihova degradacija zahteva enormno mnogo vremena. Tokom određenog perioda vremena, velik udeo ove frakcije može 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 određenom delu lanca ishrane i tako lako dospevaju do ljudi. Metil-živa 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 čvrstih čestica se takođe manifestuje u disajnim problemima, izaziva napade astme, aritmije srca, a kod srčanih bolesnika može izazvati dalje probleme

54

sa srcem. Dalekosežne posledice su razne kardiovaskularne bolesti, hronična opstruktivna bolest pluća, i kraći životni vek ljudi. Arsen u čvrstim česticama je opasan otrov za ljudsko telo i utiče na probavni sistem, i organe koji učestvuju 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 kože, bešike, jetre, i bubrega. Sve što je rečeno za Arsen, važi i za Kadmijum, i Hrom samo u nešto manjem intenzitetu. Oni se takođe 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 čovekovom delatnošću. Pored sagorevanja goriva radi proizvodnje električne energije, sumporovi oksidi nastaju i prilikom žarenja ruda, radi dobijanja metala, kao i pri trošenju tečnog goriva u transportu. Pri sagorevanju uglja, ali i mazuta nastaju znatne količine sumpornih oksida, od kojih sumpordioksid predstavlja oko 90% tih oksida.

Sumporovi oksidi su kiseli anhidridi što znači da u prisustvu vode, odnosno vlage u vazduhu stvaraju kiseline. Sumpordioksid u atmosferi, u prisustvu nekih katalizatora, kao što je azotdioksid stvara sumporastu kiselinu. Takođe 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, sličnom tek upaljene šibice. Koncentracija sumporovih oksida u vazduhu ima značajni uticaj na ljudsko zdravlje, ali i na život životinja 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 hlađenja transformišu u sumpor dioksid, ili sumpor dioksid, ili eventualno u elementarni sumpor, koji opet može da formira neki sumporov oksid.

Negativno dejstvo sumporovih oksida se manifestuje kao iritacija pluća, stvaranje astmatičnih problema, smanjenje kapaciteta pluća. Dodatni negativni uticaj je stvaranje kiselih kiša koje uništavaju kako biljke, tako i građevine.

6.3.4 Azotovi oksidi

Kad se spominju azotovi oksidi u domenu zaštite životne sredine, misli se na okside azota NO i NO2. Zajednički se oni obeležavaju 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. Takođe 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 ložištima, 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.

55

Kada NOX i isparljiva organska jedinjenja reguju u prisustvu sunčeve 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 sadrže velik udeo vezanog azota. Tokom sagorevanja azot se oslobađa, 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 ložišta redukuju od strane ugljenika, tako da se na kraju u atmosferu ispusti oko 20% azotovih oksida stvorenih na ovaj način.

Promptni NOX je treća vrsta azotovih oksida koji nastaju reakcijom atmosferskog azota sa radikalima u gorivu, kao što su C, CH, i CH2 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 ložištu, je identifikovan kao najbitniji činilac emisije NOX kod gasovitih goriva. „Brzi“ NOX se u opštem slučaju zanemaruje u ukupnoj količini azotovih oksida nastalih u sagorevanju.

Azotovi oksidi reaguju u atmosferi i stvaraju azotnu kiselinu, čime se stvara smog i kisela kiša. Takođe doprinosi stvaranju prizemnog ozona koji je izuzetno štetan za pluća. Ona može da penetrira duboko u osetljivo tkivo pluća, i da ga ošteti, stvarajući brojne disajne probleme. Deca su pogotovo podložna ovakvim oštećenjima pluća. Na duže staze takođe može da poveća osetljivost ljudske populacije na plućne bolesti, i trajne promene disajnih organa. Takođe, NOX reaguje sa ostalim produktima sagorevanja i formira ozon u niskom sloju atmosfere. (Stojiljković, 2001)

56

7 ZAKLJUČAK

U ovom radu je prikazan primer matematičkog modela procesa nastanka emisija štetnih gasova pri sagorevanju uglja u termoelektranama, a zatim i upoređen sa raspoloživim podacima. Pregled matematičkog modela prikazanog u ovom radu može se napraviti pogledom na to koji su ulazni parametri a koje su izlazne, odnosno proračunate 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)

Način loženja 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 ložištu (wH2O)

Na osnovu eksperimentalnih posmatranja i upoređivanja predviđanja modela sa izmerenim vrednostima može se zaključiti da predviđene vrednosti imaju izvesnu tačnost. Osnovni problem, kao što je napomenuto je nedostatak malo opširnijih eksperimentalnih podataka kako bi se utvrdila prosečna greška odnosno razlika u predviđenoj i izmerenoj vrednosti. U jedina primerima poređenja koncentracija sumpordioksida se može zaključiti da je predstavljen model prognozira vrednosti koje su logične, te da ima smisla. Mada ipak, sa ovim poređenjima ne može se podrobno utvrditi stepen tačnosti ovog matematičkog modela.

Takođe ono što nije obuhvaćeno modelom je korekcija koncentracije sumpordioksida usled apsorpcije sumpordioksida u pepeo. Tačnije ova pojava je reakcija između 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.

Može se zaključiti da je ovaj model dobar primer predviđanja sastava produkata sagorevanja, u okvirima jednog master rada, i da ima perspektivu i potencijal za unapređivanje, ali dok je na ovom nivou predstavlja proračun samo demonstracionog karaktera.

57

7.1 Predlozi za budući rad

Ono što je neminovno da bi ovaj model bio bolje analiziran je obimnije poređenje 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 čiji rezultati bi se poredili statistički sa predviđenim, odnosno proračunatim rezultatima. Tako bi se mogla napraviti bolja slika o odstupanjima između izmerene i predviđene vrednosti.

Ovaj matematički model, radi veće tačnosti mora da se koriguje i adaptira izmerenim vrednostima iz eksperimenta, pa će tako biti tačniji. Postoje razne matematičke metode „fitovanja“ eksperimentalnih podataka u postojeće matematičke funkcije.

Takođe 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, može se odrediti procenat vezivanja sumpora u pepelu. Ovakva zavisnost bi se trebala koristiti u proračunu kako bi se dobila tačnija vrednost izlazne koncetracije sumpordioksida. Kod sagorevanja određenih vrsta ugljeva, zbog povoljnog odnosa kalcijumoksida u pepelu dolazi do smanjenja koncentracije sumpordioksida za oko trećinu nego u slučaju da se sumpordioksid jednostavno ispušta sa produktima sagorevanja.

U domenu unapređenja azotovih oksida, nužno je korigovati postojeći grafikon za viškove vazduha od 1,2 do 1,6 kako bi se mogla procenjivati koncetracija NOX za veći dijapazon ložišta. Još bolje, ali i kompleksnije rešenje je izrada nomograma koji će istovremeno sadržati vrednosti temperature u ložištu, koncentracije NOX u dimnom gasu i viškove vazduha.

58

8 LITERATURA

Berberović Šefkija. 1979. Ekonomski značaj uglja u energetskoj privredi Jugoslavije. Književne 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.

Gulič Miloš. 1982. Metoda termičkog proračuna ložišta 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 ležišta 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 tehničkog 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. Zadužbina Andrejević, Beograd.

Vuletić Vojislav. 2004. Ugalj: Karakteristike, priprema, korišćenje. Udruženje za gas Srbije i Crne Gore, Beograd.

Anonim. 2008. Radovi po pozivu saopšteni na Savetovanju „Korištenje pepela iz termoelektrana Kostolac A i B“ Društvo hemičara, tehnologa i metalurga, Požarevac.

Anonim. 1997. Pravilnik o graničnim vrednostima emisije, načinu i rokovima merenja i evidentiranja podataka. Službeni 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 Zvanična prezentacija Elektroprivrede Republike Srpske. Elektroprivreda Republike Srpske, Preuzeto 05.07. 2011. sa www.ers.ba/stara/ekologija_ugljevik.htm

59

9 SPISAK SLIKA

Slika 1. Promena hemijskog sastava čvrstih goriva (Nikolić, 1980).....................................7

Slika 2. Maseni udeli različitih materija u čvrstom gorivu (Nikolić, 1980).............................9

Slika 3. Pojednostavljena shema termoelektrane (http://en.wikipedia.org/wiki/File:PowerStation2.svg).........................................................16

Slika 4. Načini loženja 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)..................................................................................38

60

10 SPISAK TABELA

Tabela 1. Koeficijenti za preračunavanje opisanih masa goriva (Vuletić, 2004)...................9

Tabela 2. Sastav pepela različitih vrsta ugljeva (en.wikipedia.org/wiki/Fly_ash)................13

Tabela 3. Rezerve uglja Republike Srbije u milionima tona (Nikolić, 1980).......................19

Tabela 4. Tehnička analiza ugljenih slojeva u otkopima Kostolac, Ćirikovac i Drmno (Nikolić 1990).....................................................................................................................20

Tabela 5. Hemijski sastav pepela uglja Kostolačkog 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 (Baščarević i dr.)............................................40

Tabela 12. Korigovani srednji hemijski sastav EF pepela iz TENT A.................................40

Tabela 13. Proračunate vrednosti elemenata suvih produkata sagorevanja na izlasku iz ložišta.................................................................................................................................41

Tabela 14. Korigovane vrednosti elemenata suvih produkata sagorevanja na izlasku iz ložišta.................................................................................................................................42

Tabela 15. GVE za ložišta na ugalj (Pravilnik o graničnim vrednostima emisije, načinu i rokovima merenja i evidentiranja podataka).......................................................................42

Tabela 16. Uporedni prikaz proračunatih i izmerenih vrednosti.........................................48

61