4. DAZTWANIE SPALIN 4.1. Pochodzenie tlenków azotu w spalinach 4.2. Metody ograniczenia emisji tlenków azotu systematyka metod 4.3. Techniki ograniczania emisji tlenków azotu 4.4. Analiza porównawcza 1
4.1. Pochodzenie tlenków azotu w spalinach Klasyfikacja tlenki termiczne tlenki paliwowe tlenki natychmiastowe Pochodzenie azot w powietrzu wprowadzonym do spalania azot związany chemicznie z paliwem d czego zaleŝy ich ilość temperatura płomienia (głównie), stęŝenie tlenu w strefie spalania (mniej) zawartość azotu w paliwie (głównie), stęŝenie tlenu w strefie spalania (głównie) temperatura płomienia (mniej) powstają jedynie w początkowej strefie płomieni węglowodorowych w wyniku działanie rodników CH i na azot z powietrza współczynnik nadmiaru powietrza termiczne tlenki azotu stanowią około 85 % całkowitej ilości tlenków azotu w spalinach 2
4.2. Metody ograniczenia emisji tlenków azotu systematyka metod P A L E N I S K S P A L I N Y Rodzaj paliwa gaz ziemny olej opałowy węgiel selektywna redukcja niekatalityczna SNCR selektywna redukcja katalityczna SCR proces z wykorzystaniem węgla aktywnego proces równoczesnego usuwania N x i S 2 przy uŝyciu wiązki elektronów Proces CRNX Proces katalityczno-absorpcyjny DESNX Proces amoniakalno - ozonowy Proces oksydacyjno-absorpcyjny Inne czynniki mała moc duŝa moc lekki olej cięŝki olej palniki pyłowe jak dla gazu jak dla węgla Metoda obniŝanie temperatury spalania ograniczanie nadmiaru powietrza, stopniowanie powietrza i paliwa Technika recyrkulacja spalin, płomień kinetyczno-dyfuzyjny uboga mieszanka, spalanie dwustopniowe, recyrkulacja spalin recyrkulacja spalin, dwustopniowe rozpylanie oleju recyrkulacja spalin, stopniowanie powietrza, reburning gazem palniki niskoemisyjne, FA, reburning 3
4.3. Techniki ograniczania emisji tlenków azotu recyrkulacja spalin Stopień recyrkulacji r stosunek masy spalin zawracanych do komory paleniskowej do masy spalin opuszczających komorę stopień recyrkulacji spalin, % wpływ stopnia recyrkulacji na zawartość N x w spalinach: a) węgiel brunatny b) paliwo gazowe, recyrkulacja spalin: a) zewnętrzna, b) i c) - wewnętrzna Recyrkulacja zewnętrzna: wykorzystanie wentylatora podmuchu, lub zastosowanie odrębnego wentylatora, kontrola stopnia recyrkulacji, paleniska gazowe, paleniska rusztowe i pyłowe (węgiel) Recyrkulacja wewnętrzna: wykorzystanie iniekcyjnego oddziaływania strumieni, wypływających z dysz palników, brak kontroli recyrkulacji, głównie palniki olejowe 4
4.3. Techniki ograniczania emisji tlenków azotu zmniejszanie nadmiaru powietrza Jest to sposób na ograniczenie emisji tlenków paliwowych a więc stosowany dla paliw zawierających azot. W ubogich płomieniach, a więc przy duŝym współczynniku nadmiaru powietrza azot paliwowy szybko utlenia się (tlenki azotu). W bogatych płomieniach, a więc przy niedomiarze powietrza azot paliwowy w duŝym stopniu ulega konwersji do N 2. Metoda stosowana w paleniskach pyłowych. Skutki uboczne: niedopał, szlakowanie oraz korozja. korelacja pomiędzy udziałem N x i C w spalinach korelacja pomiędzy udziałem N x i C w spalinach Wpływ współczynnika nadmiaru powietrza na stęŝenie N x w spalinach odlotowych z kotła P-650 dla róŝnych konfiguracji palników 5
4.3. Techniki ograniczania emisji tlenków azotu stopniowanie powietrza powietrze pierwotne paliwo I strefa λ < 1 Q chłodzenie powietrze wtórne II strefa λ > 1 Metoda powszechnie stosowana w paleniskach pyłowych: 15 25 % powietrza podawanego do palników kieruje się jako powietrze wtórne dodatkowymi dyszami nad palnikami pyłowymi na jednym lub kilku poziomach. Dzięki rozdziałowi powietrza, spalanie w I strefie przebiega z niedomiarem tlenu (λ=0,8-0,9), co obniŝa temperaturę spalania i sprzyja konwersji azotu paliwowego do N 2. wpływ udziału powietrza wtórnego w całkowitej ilości powietrza na wskaźnik emisji Nx dla róŝnych współczynników nadmiaru powietrza: 1 4 %, 2 14 %, 3 18 % 6
4.3. Techniki ograniczania emisji tlenków azotu stopniowanie paliwa (reburning) powietrze węgiel I stadium λ 1 paliwo reburningowe II stadium λ < 1 powietrze III stadium λ > 1 Reburning wprowadzenie paliwa dodatkowego (np. gaz ziemny) w ilości odpowiadającej 10-20 % całkowitej energii chemicznej wprowadzonej w obu rodzajach paliw; celem jest wytworzenie rodników węglowodorowych ultradrobny pył węglowy w ilości 20-25 % całkowitej ilości paliwa, spalany przy λ - 0,8-09 gaz z odmetanowania kopalń jako paliwo reburningowe instalacja reburningu pyłem węglowym: 1- młyn główny, 2 młyn pomocniczy, 3 wentylator recyrkulacji spalin, 4 dysze FA, 5 palniki reburningowe, 6 palniki główne 7
4.3. Techniki ograniczania emisji tlenków azotu reakcje procesowe selektywnej redukcji niekatalitycznej (SNCR) Iniekcja do komory paleniskowej: a) amoniaku w strefę temperatur 797 997 0 C (967 0 C ± 50 0 C) 4 N + 4 NH 3 + 2 4 N 2 + 6 H 2 b) mocznika w strefę temperatur 950 1047 0 C C(NH 2 ) 2 + 2 N + ½ 2 2 N 2 + C 2 + H 2 w temp. niŝszych powstaje amoniak w temp. wyŝszych intensyfikuje się proces tworzenia tlenków azotu np. w przypadku iniekcji amoniaku, w temperaturze powyŝej 1097 0 C zachodzi reakcja 4 NH 3 + 5 2 4 N + 6 H 2 8
4.3. Techniki ograniczania emisji tlenków azotu schemat instalacji SNCR wpływ temperatury na redukcję Nx podczas iniekcji amoniaku schemat instalacji SNCR wpływ dodatku wodoru na stopień redukcji Nx metodą SNCR 9
4.3. Techniki ograniczania emisji tlenków azotu metoda selektywnej redukcji katalitycznej SCR Konwersja Nx do N 2 z wykorzystaniem amoniaku jako gazu redukcyjnego w obecności katalizatora (np. V 2 5, Pt, Rh) w temperaturach 300-400 0 C DYSZE WTRYSKU NH 3 reaktor Reakcje procesowe 6N + 4NH 3 5N 2 + 6H 2 4N + 4NH 3 + 2 4N 2 + 6 H 2 6N 2 + 8NH 3 7N 2 + 12H 2 2N 2 + 8NH 3 + 4 2 5N 2 + 12H2 KATALIZATR 10
4.4. Porównanie skuteczność redukcji N X przy uŝyciu róŝnych technik i dla róŝnych paliw Technika redukcji emisji tlenków azotu Recyrkulacja spalin Palniki niskoemisyjne Stopniowanie powietrza bniŝona temperatura spalania Reburning UŜycie amoniaku lub mocznika Efekt redukcji w % dla poszczególnych paliw gaz olej cięŝki olej lekki węgiel 20-80 20-60 10-35 5-10 20-60 20-40 10-50 10-80 10-40 10-40 10-40 10-50 10-60 10-60 10-30 30-50 10-50 10-50 10-50 30-80 30-80 30-80 11
4.3. Skuteczność redukcji N X przy uŝyciu skojarzonych technik w procesach spalania węgli energetycznych Palniki niskoemisyjne Palniki niskoemisyjne i stopniowanie powietrza Palniki niskoemisyjne i reburning (gaz ziemny) Palniki niskoemisyjne i reburning (węgiel) Palniki niskoemisyjne, reburning (gaz ziemny) z recyrkulacją spalin Palniki niskoemisyjne i reburning (gaz ziemny) bez recyrkulacji spalin SNCR Hybryda SNCR/SCR SCR 30-55 % 35-70 % 60-70 % 40-60 % 55-65 % ~ 60 % 30-50 % > 80 % 80-95 % 12
4.4. Skutki uboczne i koszty redukcji przy uŝyciu róŝnych technik dla procesów spalania paliw stałych Skutki uboczne ŜuŜlowanie komory paleniskowej pogorszenie stabilności pracy palników wzrost zanieczyszczenia powierzchni konwekcyjnych wzrost temperatury wylotowej spalin erozja powierzchni konwekcyjnych korozja wysokotemperaturowa i korozja niskotemperaturowa niezupełne i niecałkowite spalanie Jednostkowe nakłady inwestycyjne na odazotowanie spalin (R. Wilk, 1999) 13