EnglishRSSkontaktyčlenstvísitemapinzerce a reklama
Biom.cz
biomasa, biopaliva, bioplyn, pelety, kompostování a jejich využití

ODBORNÉ ČLÁNKY

Metody dosažení emisních limitů emisí NOx kotlů velkých výkonů

Úvod

V rámci Národního programu snižování emisí České republiky je potřeba se zaměřit především na emise oxidu dusíky, kdy je potřeba do roku 2016 dosáhnout u všech spalovacích zařízení emisního stropu 200 mg/m3.

Obr. 1: Prosávací pyrometr
To předpokládá u stávajících zdrojů řadu úprav spalovacího procesu a rekonstrukcí, kdy se budou uplatňovat nejen primární opatření na snížení emisí oxidu dusíku, ale i sekundární opatření odstraněním již vzniklého oxidu dusíku ze spalin. Náš příspěvek řeší problematiku dosažení emisních limitů u stávajících zařízení velkých výkonů.

Metody snižování emisí NOx

Pro úspěšné plnění emisních limitů NOx u stávajících zdrojů je zapotřebí optimalizovat jejich provoz za pomocí primárních opatření, většina těchto zařízení však ani po aplikaci primárních opatření nebude schopna dosahovat limitu 200 mg/m3 NOx a bude tedy nezbytně nutné přistoupit i k sekundárním opatřením snižování emisí dusíku. Snižování NOx pomocí primárních opatření:

  • jemnost mletí výběr paliva (směsi paliv)
  • úprava poměrů vzduch/palivo
  • zrovnoměrnění distribuce paliva do jednotlivých hořáků
  • řízení poměrů vzduch/palivo - řízení distribuce paliva do jednotlivých hořáků
  • optimalizace konstrukce hořáků a uspořádání hořáků
  • použití a/nebo optimalizace denitrifikačních metod

Snižování NOx pomocí sekundárních opatření: Sekundární metoda spočívá v chemickém odstranění vzniklých NOx ze spalin. Všechny sekundární metody jsou založeny na reakci iontů NH2- s NO za vzniku molekulárního dusíku N2 a vody H2O.

 
Vzorec: Sekundární metoda spočívá v chemickém odstranění vzniklých NOx ze spalin
 

Jako zdroj radikálů NH2- se využívají tři látky:

  • čpavková voda NH4OH
  • močovina (NH2)2CO
  • kyanomočová kyselina (HNCO)3

Účinnost selektivní nekatalytická redukce (SNCR) je 40 až 60 %. Hlavním problémem SNCR metody je relativně úzké teplotní okno (850-1050 °C). Pokud je reagent vstřikován do oblasti s nízkou teplotou, oxidy dusíku NOx nereagují s radikálem NH2-, protože reakční rychlost je nízká. To má za následek zvýšení koncentrace čpavku NH3 ve spalinách tzv. čpavkový skluz. Pokud je naopak reagent vstřikován do oblasti s vysokou teplotou, NH2- radikál začne přednostně reagovat s kyslíkem O2, což má za následek naopak zvýšení koncentrace NOx ve spalinách. Účinnost metody SNCR je tak silně ovlivněna teplotou spalin, respektive správným umístněním trysek ve spalovací komoře, které je pro celou denitrifikační metodu absolutně stěžejní. Pro návrh umístění trysek na spalovacím zařízení máme k dispozici několik metod, přičemž jako nejlepší se jeví jejich kombinace, kdy pouze tak lze získat komplexní nástroj s co nejzajímavější ekonomickou a časovou efektivitou. Jedná se o kombinaci provozního měření na reálném spalovacím zařízení, bilanční tepelné výpočty a CFD modelování. Vzhledem k obsáhlosti problematiky je příspěvek zaměřen pouze na metodu provozního měření na jednom vytipovaném spalovacím zařízení při jednom provozním režimu a na metodu tepelných bilančních výpočtů.

Tabulka 1: Parametry jednotlivých zkoušek

Provozní měření

Některé veličiny lze určit z údajů provozních měřicích přístrojů, parametry jako jsou např. teplotní, koncentrační, rychlostní pole ve spalovací komoře, poměrové určení tepelných toků do stěn spalovací komory atd. je však možné určit pouze pomocí speciálních metod a techniky. K tomuto účelu slouží chlazené sondy vlastní konstrukce s operační délkou až 6 m pro měření teploty metodou prosávacího pyrometru (Obr.1), chlazené sondy vlastní konstrukce s operační délkou až 6 m pro měření rychlostí, chlazené sondy vlastní konstrukce s operační délkou až 6 m pro odběr plynného vzorku, sondy pro poměrové rozdělení tepelných toků, modifikovanou aparaturu pro izokinetický odběr uhelného prášku z práškovodu, atd.

Metody dosažení emisních limitů emisí Nox kotlů velkých výkonů. Pro aplikaci technologie SNCR byl mimo jiné vytipován kotel K5 v Tatra Kopřivnici. Kotel je parní, vodotrubný s fluidním spalovacím systémem. Patří mezi úzký okruh fluidních kotlů v ČR vybavených speciálním spalovacím zařízením typu IGNIFLUID. Spalovací zařízení je tvořeno šikmým fluidním pásovým roštem IGNIFLUID, kde fluidní lože je dynamickým účinkem vzduchu zdviženo do prostoru uhelných svahů, kde se sníží rychlost vzduchu až na rychlost pádovou, tím nastane rozdělení paliva podle velikosti zrna (větší kousky na dně lože, menší na hladině). Podélná osa roštu je skloněna od horizontály v úhlu 10°. Jelikož fluidní lože se chová jako kapalina, je jeho hladina vodorovná. Pro správný chod lože je bezpodmínečně nutné udržovat teplotu lože na správné provozní teplotě cca 1200 °C. Měření bylo provedeno pro tři výkonové hladiny, při každém parním výkonu byly nastaveny 2 režimy – bez denitrifikační metody SNCR a s denitrifikační metodou SNCR, viz. tabulka 1.

 
Tabulka 2: Hodnoty zkoušek 4, 5 a 6 (podbarvená část je s technologií SNCR)
Tabulka 3: Hodnoty zkoušek č. 1, 2 a 3 ( podbarvená část je s technologií SNCR)
 

V tabulkách 2 a 3 jsou uvedeny údaje z provozních měřících přístrojů pro jednotlivé zkoušky. Měření probíhalo ve dvou dnech, kdy hodnoty z prvního dne měření jsou zaznamenány v Tab. 2 a hodnoty z druhého dne jsou uvedeny v Tab. 3. První den měření probíhaly zkoušky č. 4, 5 (bez technologie SNCR) a zkouška č. 6 (s technologií SNCR), která se započala měřit v 15:00. Z hodnot je patrné, že vstřikováním reagentu do spalovací komory se značně snížilo množství vznikajících emisí NOx. Druhý den měření probíhaly zkoušky č. 1, 2 (s technologií SNCR) a zkouška č. 3 (bez technologie SNCR), která započala ve 13:00. Z hodnot uvedených v Tab. 3 je opět patrné, že když se reagent přestal vstřikovat, došlo k nárůstu produkovaných emisí NOx.

Tabulka 4: Hlavní parametry kotle K5 Komterm Kopřivnice při 50t/h

Tepelné bilanční výpočty

Na základě tepelných a materiálových bilancí se stanovila výrobní tepla jednotlivých teplosměnných ploch a výrobní teplo kotle. Pro jejich stanovení byly použity hodnoty údajů provozních měřicích přístrojů a výsledků měření při zkouškách kotle K5 při maximální výkonové hladině 50t/h. Hlavní parametry kotle při maximálně trvale dosaženém výkonu při garančních zkouškách kotle K5 jsou uvedeny v Tab.4. Výrobní tepla kotle a jednotlivých teplosměnných ploch jsou uvedena v Tab. 4.

Dále je nutno stanovit výpočtem prvotní hodnoty toků jednotlivých médií, především pak spalin za účelem stanovení množství močoviny jako reagentu a pro reálné porovnání instalovaných technologií s výpočtovými hodnotami. Tyto údaje budou využity pro následné provedení modelových výpočtů.

 
Tabulka 5: Výrobní tepla kotle a jednotlivých teplosměnných ploch kotle K5 při 50t/h
Tabulka 6: Objemy spalin vzniklých spálením 1kg surového uhlí při 50t/h
 
Na základě výsledků analýzy reprezentativního vzorku paliva byly provedeny výpočty stechiometrie a na základě výsledků při sestavování bilančních výpočtů teplosměnných ploch a výrobního tepla následně pak množství vzniklých spalin na výstupu ze spalovací komory (SK) kotle. Na základě měření byla pro stanovení množství spalin při 50 t/h vypočtena účinnost kotle K5 KOMTERM KOPŘIVNICE 86,2 % a byla odhadnuta průměrná koncentrace O2 v Metody dosažení emisních limitů emisí Nox kotlů velkých výkonů suchých spalinách na výstupu ze spalovací komory při 50t/h 9,1 %obj., tomu odpovídá přebytek vzduchu . = 1,742. Objemy spalin vniklých spálením 1 kg surového paliva při 50 t/h vypočtené pomocí stechiometrických rovnic jsou uvedeny v Tab.6. Hmotnostní a objemové koncentrace hlavních složek spalin jsou uvedeny v Tab.7. Vypočtené objemové a hmotnostní toky spalin na výstupu ze SK jsou v Tab.8.

 
Tabulka 7: Objemové a hmotnostní koncentrace spalin na výstupu ze SK při 50t/h
Tabulka 8: Objemové a hmotnostní toky spalin při 50t/h
 

Závěr

Při dosahování emisních limitů NOx do roku 2016 bude muset řada stávajících energetických zařízení podstoupit řadu primárních a následně i sekundárních opatření, kde se jako nejvíce slibnou jeví metoda SNCR při použití roztoku močoviny jako reagentu. Kombinací provozního měření, bilančních výpočtů a využití CFD modelování lze získat komplexní nástroj k určení nejvhodnějšího umístění vstřikovacích trysek. V příspěvku jsou uvedeny prozatím výsledky provozního měření a bilančních výpočtů na jednom vytipovaném spalovacím zařízení, které ještě budou doladěny a upřesněny modelováním v programu ANSYS.

Použitá literatura

  • [1] Michal Stáňa, Ing., Ph.D.; Tomáš Blejchař, Ing., Ph.D., Bohumír Čech, Dr. Ing.; Rostislav Malý. Optimalizace primárních a sekundárních metod snižování emisí NOx pro dosažení limitu 200 mg/m3
  • [2] Tomáš Blejchař, Jiří Pecháček, Rostislav Malý, Jiří Tomčala: CFD model SNCR technologie – využití numerických modelů při návrhu
  • [3] Michal Stáňa, Ing., Ph.D.; Tomáš Blejchař, Ing., Ph.D., Bohumír Čech, Dr,Ing. Jan Matoušek,Ph.D: Výpočet stechiometrie a množství spalin IGNIFLUID K5KOMTERM Kopřivnice, a.s.
  • [4] Michal Stáňa, Ing., Ph.D.; Tomáš Blejchař, Ing., Ph.D., Bohumír Čech, Dr,Ing. Jan Matoušek,Ph.D: Sestavení bilančních výpočtů teplosměnných ploch a výrobního tepla IGNIFLUIDu K5 KOMTERM Kopřivnice, a.s.

Článek byl zveřejněn ve sborníku konference Energetika a biomasa 2010.

Článek: Tisknout s obrázky | Tisknout bez obrázků | Poslat e-mailem

Související články:

Energetické využití obnovitelných a alternativních zdrojů z hlediska celkových emisí
Jak potlačit spékání biomasového popela?
Spoluspalování biomasy s fosilními palivy – od výzkumu k praktickému využití
Sesuvný zplyňovač s řízeným podáváním paliva

Zobrazit ostatní články v kategorii Obnovitelné zdroje energie, Spalování biomasy

Datum uveřejnění: 2.5.2012
Poslední změna: 30.4.2012
Počet shlédnutí: 3924

Citace tohoto článku:
GRYCMANOVÁ, Markéta, ZBIEG, Rostislav: Metody dosažení emisních limitů emisí NOx kotlů velkých výkonů. Biom.cz [online]. 2012-05-02 [cit. 2017-06-24]. Dostupné z WWW: <http://biom.cz/cz/odborne-clanky/metody-dosazeni-emisnich-limitu-emisi-nox-kotlu-velkych-vykonu>. ISSN: 1801-2655.

Komentáře:
ilustrační foto ilustrační foto ilustrační foto ilustrační foto ilustrační foto


 
© 2001-2009, CZ Biom  -  České sdružení pro biomasu,  Opletalova 7/918, 111 44 Praha 1,   Tel.: 604 856 036,   E-mail: sekretariat@biom.cz
Webhosting/ webdesign / publikační systém TOOLKIT - Econnect
Treti ruka energieplus Česká peleta Ekologie, pasivní domy, solární energie, alternativní zdroje, zelené bydlení EnviWeb - portál pro ochranu a tvorbu životního prostředí Ekolist po drátě Portál Energetika Internetové energetické konzultační a poradenské středisko Lesnicko-dřevařský www server