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.

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 NO_x 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 NO_x a bude tedy nezbytně nutné přistoupit i k sekundárním opatřením snižování emisí dusíku. Snižování NO_x 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 NO_x pomocí sekundárních opatření: Sekundární metoda spočívá v chemickém odstranění vzniklých NO_x ze spalin. Všechny sekundární metody jsou založeny na reakci iontů NH₂^- s NO za vzniku molekulárního dusíku N₂ a vody H₂O.

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 NO_x 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 NO_x 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.

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.

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 NO_x. 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 NO_x.

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.

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.

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 NO_x 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.

Tweet

Regulace teploty plynových motorů

Bioplynová stanice s kogeneračními jednotkami TEDOM

Olej pro plynové motory – klíčová volba pro kogenerační jednotky

Kam směřuje české odpadové hospodářství z pohledu prevence jejich vzniku?

Jak získat udržitelnou biomasu