Reducing Mercury Emissions from Small-Scale Coal-Fired Boilers Used in Residential Heating

• Autorzy: Stelmach Sławomir , Matuszek Katarzyna , Hrycko Piotr , Wolny Paweł , Horák Jiří , Kuboňová Lenka

Identyfikatory

DOI

10.12845/sft.62.2.2023.3

Warianty tytułu

PL

Ograniczenie emisji rtęci z małych kotłów węglowych wykorzystywanych do ogrzewania budynków mieszkalnych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Purpose: The aim of the research was to demonstrate that the use of low-emission carbon fuels (obtained using the initial thermal conversion of coal feedstock) in residential heating also makes it possible to reduce mercury emissions from small-scale coal-fired boilers. Project and methods: The publication presents the results of mercury emission tests conducted using five different small-scale coal-fired boilers and five different coal fuels. The research was carried out under laboratory conditions, but also using heating devices of residential users. They covered a wide range of operational parameters, both energy and emission. The flux of coal fuels burned ranged from 2 to 12.2 kg/h, with an equally wide range of boiler efficiencies obtained – 67.6–88.5%. Results: The test results presented in the article show that the amount of emissions of pollutants limited by the criteria of the PN-EN 303-5+A1:2023-05 standard and the ecodesign, namely carbon monoxide, nitrogen oxides, dust and organic substances, depends mainly on the design and operating conditions of the device in which the specific solid fuel is burned. There is a group of pollutants emitted into the atmosphere, for which the amount of emissions depends primarily on the quality of the fuel burned. These pollutants include sulphur oxides and mercury, whose emissions depend primarily on the combustible sulphur and mercury content of the fuel being burned. Conclusions: Experimental studies were carried out to verify what portion of Hg contained in coal during its combustion in domestic boilers with manual and automatic fuel feeding remains bound in bottom ash, and what is emitted into the atmosphere. The content of Hg in bottom ash, regardless of the boiler and fuel used, was at a similar low level, reaching a maximum of about 6% of Hg initially contained in the fuel. As studies have shown, more than 94% of mercury contained in coal fuels burned in small-scale coal-fired boilers is emitted into the atmosphere, contributing significantly to the deterioration of the environment. Replacing traditional coal with low-emission carbon fuels (e.g., such as BC fuel) would significantly reduce mercury emissions from small-scale coalfired boilers, by up to 90% compared to current emissions. Setting a legal requirement for the permissible level of mercury content in coal fuels used in domestic boilers, for example, at a maximum value of 0.05 mg/kg, would reduce mercury emissions from these devices by at least half.

PL

Cel: Celem przeprowadzonych badań było wykazanie, że wykorzystanie niskoemisyjnych paliw węglowych (uzyskanych w wyniku wstępnej konwersji termicznej surowca węglowego) w ogrzewnictwie mieszkaniowym umożliwia również ograniczenie emisji rtęci z małych kotłów węglowych. Projekt i metody: W publikacji przedstawiono wyniki badań emisji rtęci przeprowadzonych z wykorzystaniem pięciu różnych małoskalowych kotłów węglowych i pięciu różnych paliw węglowych. Badania przeprowadzono w warunkach laboratoryjnych, ale także z wykorzystaniem urządzeń grzewczych użytkowników indywidualnych. Obejmowały one szeroki zakres parametrów eksploatacyjnych zarówno energetycznych, jak i emisyjnych. Strumień spalanych paliw węglowych wahał się od 2 do 12,2 kg/h, przy równie szerokim zakresie uzyskiwanych sprawności kotłów – 67,6–88,5%. Wyniki: Przedstawione w artykule wyniki badań wskazują, że wielkość emisji zanieczyszczeń limitowanych kryteriami normy PN-EN 303-5+A1:2023-05 i ekoprojektu, a mianowicie tlenku węgla, tlenków azotu, pyłu i substancji organicznych, zależy głównie od konstrukcji i warunków pracy urządzenia, w którym spalane jest określone paliwo stałe. Istnieje grupa zanieczyszczeń emitowanych do atmosfery, dla których ilość emisji zależy przede wszystkim od jakości spalanego paliwa. Zanieczyszczenia te obejmują tlenki siarki i rtęć, których emisje zależą przede wszystkim od zawartości siarki palnej i rtęci w spalanym paliwie. Wnioski: Przeprowadzone badania eksperymentalne miały na celu sprawdzenie, jaka część Hg zawartej w węglu podczas jego spalania w domowych kotłach z ręcznym i automatycznym podawaniem paliwa pozostaje związana w popiele paleniskowym, a jaka jest emitowana do atmosfery. Zawartość Hg w popiele paleniskowym, niezależnie od kotła i stosowanego paliwa, była na podobnym niskim poziomie, osiągając maksymalnie około 6% Hg początkowo zawartej w paliwie. Jak wykazały badania, ponad 94% rtęci zawartej w paliwach węglowych spalanych w małych kotłach węglowych jest emitowane do atmosfery, przyczyniając się znacząco do pogorszenia stanu środowiska. Zastąpienie tradycyjnego węgla niskoemisyjnymi paliwami węglowymi (np. takimi jak paliwo BC) znacznie zmniejszyłoby emisje rtęci z małych kotłów węglowych, nawet o 90% w porównaniu z obecnymi emisjami. Ustanowienie wymogu prawnego dotyczącego dopuszczalnego poziomu zawartości rtęci w paliwach węglowych stosowanych w kotłach domowych, na przykład na poziomie maksymalnej wartości 0,05 mg/kg, zmniejszyłoby emisję rtęci z tych urządzeń o co najmniej połowę.

Słowa kluczowe

EN

mercury emission; small-scale coal-fired boilers; low-emission carbon fue

PL

emisja rtęci; małe kotły węglowe; niskoemisyjne paliwo węglowe

• Wydawca: Centrum Naukowo-Badawcze Ochrony Przeciwpożarowej im. Józefa Tuliszkowskiego - Państwowy Instytut Badawczy
• Czasopismo: Safety & Fire Technology
• Rocznik: 2023
• Tom: Vol. 62, iss. 2
• Strony: 50--62
• Opis fizyczny: Bibliogr. 26 poz., rys.

Twórcy

autor

Stelmach Sławomir

• Institute of Energy and Fuel Processing Technology / Instytut Technologii Paliw i Energii

• https://orcid.org/0000-0002-9206-1008

autor

Matuszek Katarzyna

• Institute of Energy and Fuel Processing Technology / Instytut Technologii Paliw i Energii

• https://orcid.org/0000-0001-8184-6507

autor

Hrycko Piotr

• Institute of Energy and Fuel Processing Technology / Instytut Technologii Paliw i Energii

• https://orcid.org/0000-0002-9713-8553

autor

Wolny Paweł

• Faculty of Process Engineering and Environmental Protection, Lodz University of Technology / Wydział Inżynierii Procesowej i Ochrony Środowiska, Politechnika Łódzka

• https://orcid.org/0000-0003-2161-4506

autor

Horák Jiří

• VŠB-Technical University of Ostrava / Wyższa Szkoła Górnicza – Uniwersytet Techniczny w Ostrawie

• https://orcid.org/0000-0001-6665-5294

autor

Kuboňová Lenka

• VŠB-Technical University of Ostrava / Wyższa Szkoła Górnicza – Uniwersytet Techniczny w Ostrawie

• https://orcid.org/0000-0003-3256-8373

Bibliografia

• [1] Kabata-Pendias A., Pendias H., Biogeochemistry of trace elements, PWN, Warszawa, 1999.
• [2] Feng X.B., Qiu G.L., Fu X.W., He T.R., Li P., Wang S.F., Mercury pollution in the environment, „Progress in chemistry” 2009, 21(2–3), 436–457.
• [3] UN Environment, Global Mercury Assessment 2018, UN Environment Programme, Chemicals and Health Branch Geneva, Switzerland 2019.
• [4] Arctic Monitoring and Assessment Programme, Technical Background Report for the Global Mercury Assessment, Oslo 2017.
• [5] Wichliński M., Emisja rtęci z polskich elektrowni w świetle konkluzji BAT, „Polityka Energetyczna” 2017, 20, 79–88.
• [6] Pilar L., Borovec K., Szeliga Z., Górecki J., Mercury emission from three lignite-fired power plants in the Czech Republic, „Fuel Process. Technol.” 2021, 212, 106628, https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2020.106628.
• [7] WysokieNapiecie.pl, https://wysokienapiecie.pl/81733-produkcja-energii-elektrycznej-w-polsce/ [accessed: 17. 07.2023].
• [8] Globenergia, https://globenergia.pl/ponad-21-energii-pochodzilo-z-oze-miks-energetyczny-i-struktura-produkcji-energii-w-polsce-w-2022-r/ [accessed: 17.07.2023].
• [9] Burmistrz P., Kogut K., Marczak M., Zwoździak J., Lignites and subbituminous coals combustion in Polish power plants as a source of anthropogenic mercury emission, „Fuel Processing Technology.” 2016, 152, 250–258, https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2016.06.011.
• [10] Pešek J., Bencko V., Sýkorová I., Vašíček M., Michna O., Martínek K., Some trace elements in coal of the Czech Republic, Environment and Health Protection Implications, "Central European Journal of Public Health” 2005, 13(3), 153–158.
• [11] Czaplicka M., Pyta H., Transformations of mercury in processes of solid fuel combustion – review, „Archives of Environmental Protection” 2017, 43(4), 82–93, https://doi.org/10.1515/aep-2017-0041.
• [12] WSZYSTKOoEMISJACH.pl, https://wszystkooemisjach.pl/342/konkluzje-bat-dla-duzych-obiektow-energetycznego-spalania-lcp, [accessed: 17.07.2023].
• [13] Ministerstvo Prumyslu a Obchodu, Assessment of the potential for the application of high-efficiency cogeneration and efficient district heating and cooling in the Czech Republic, Praga 2020.
• [14] Directive 2009/125/EC of the European Parliament and of the Council of 21 October 2009 establishing a framework for the setting of ecodesign requirements for energy-related products, https://eur-lex.europa.eu/legal-content/EN/TXT/PDF/?uri=CELEX:02009L0125-20121204 [accessed: 18.07.2023].
• [15] GUS, Energy consumption in households in 2018, Warsaw 2019.
• [16] Matuszek K., Hrycko P., Stelmach S., Sobolewski A., Carbonaceous smokeless fuel and modern small-scale boilers limiting the residential emission. Part 1. General aspects, „Przemysł Chemiczny” 2016, 95(2), 223–227, https://doi.org/10.15199/62.2016.2.8.
• [17] Matuszek K., Hrycko P., Stelmach S., Sobolewski A., Carbonaceous smokeless fuel and modern small-scale boilers limiting the residential emission. Part 2. Experimental tests of a new carbonaceous smokeless fuel, „Przemysł Chemiczny” 2016, 95(2), 228–230, https://doi.org/10.15199/62.2016.2.9.
• [18] PN-EN 303-5+A1:2023-05 Kotły grzewcze – Część 5: Kotły grzewcze na paliwa stałe z ręcznym i automatycznym zasypem paliwa o mocy nominalnej do 500 kW – Terminologia, wymagania, badania i oznakowanie.
• [19] Wichliński M., Kobyłecki R., Bis Z., Emisja rtęci podczas termicznej obróbki paliw, „Polityka Energetyczna” 2011, 14,191–202.
• [20] Misztal E., Chmielniak T., Mazur I., Sajdak M., The release and reduction of mercury from solid fuels through thermal treatment prior to combustion, „Energies” 2022, 15(21), 7987, https://doi.org/10.3390/en15217987.
• [21] Wichliński M., Kobyłecki R., Bis Z., Niskotemperaturowa obróbka termiczna węgli wzbogaconych i niewzbogaconych w celu obniżenia zawartości rtęci, „Polityka Energetyczna” 2015, 18, 113–124.
• [22] Chmielniak T., Głód K., Kopczyński M., Piroliza węgla dla obniżenia emisji rtęci z procesów spalania do atmosfery, in: Nowe technologie spalania i oczyszczania spalin, Nowak W., Pronobis M., (red.), Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, 2010, 389–411.
• [23] Dziok T., Production of low-mercury solid fuel by mild pyrolysis process, „Energies” 2023, 16(7), 3046, https://doi.org/10.3390/en16073046.
• [24] Dziok T., Grzywacz P., Bochenek P., Assessment of mercury emissions into the atmosphere from the combustion of hard coal in a home heating boiler, „Environ Sci Pollut Res Int.” 2019, 26(22), 22254–22263; https://doi.org/10.1007/s11356-019-05432-3.
• [25] Fernández-Miranda N, Rodríguez E., Lopez-Anton M.A., García R., Martínez-Tarazona M.R., A new approach for retaining mercury in energy generation processes: regenerable carbonaceous sorbents, „Energies” 2017, 10(9), 1311, https://doi.org/10.3390/en10091311.
• [26] Telenga-Kopyczyńska J., Konieczyński J., Sobolewski A., Emisja rtęci z procesu koksowania węgla, in: Proceedings of the KOKSOWNICTWO Conference, Poland 2012.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2024).