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. ODAZOTOWANIE SPALIN

2

4.1. Pochodzenie tlenków azotu w spalinach

Od czego zale

ż

y ich

ilo

ść

Pochodzenie

Klasyfikacja

powstaj

ą

jedynie w pocz

ą

tkowej

strefie p

ł

omieni w

ę

glowodorowych w

wyniku dzia

ł

anie rodników CH

i

na azot

z powietrza

tlenki
natychmia-
stowe

•

zawarto

ść

azotu w

paliwie (g

ł

ównie),

•

st

ęż

enie tlenu w

strefie spalania
(g

ł

ównie)

•

temperatura

p

ł

omienia (mniej)

azot
zwi

ą

zany

chemicznie z
paliwem

tlenki
paliwowe

•

temperatura

p

ł

omienia (g

ł

ównie),

•

st

ęż

enie tlenu

w strefie spalania
(mniej)

azot w
powietrzu
wprowadzo-
nym do
spalania

tlenki
termiczne

współczynnik nadmiaru powietrza

termiczne tlenki azotu stanowi

ą

około

85 % całkowitej ilo

ś

ci tlenków azotu w

spalinach

3

4.2. Metody ograniczenia emisji tlenków
azotu – systematyka metod

Proces oksydacyjno-absorpcyjny

Proces amoniakalno - ozonowy

Proces katalityczno-absorpcyjny DESONOX

Proces CORONOX

proces równoczesnego usuwania NO

x

i SO

2

przy u

ż

yciu wi

ą

zki elektronów

proces z wykorzystaniem w

ę

gla aktywnego

selektywna redukcja katalityczna SCR

S
P
A
L
I
N
Y

selektywna redukcja niekatalityczna SNCR

palniki niskoemisyjne, OFA,
reburning

ograniczanie nadmiaru
powietrza, stopniowanie
powietrza i paliwa

palniki py

ł

owe

w

ę

giel

recyrkulacja spalin, stopniowanie
powietrza, reburning gazem

jak dla w

ę

gla

ci

ęż

ki olej

recyrkulacja spalin, dwustopniowe
rozpylanie oleju

jak dla gazu

lekki olej

olej opa

ł

owy

uboga mieszanka, spalanie
dwustopniowe, recyrkulacja spalin

du

ż

a moc

recyrkulacja spalin, p

ł

omie

ń

kinetyczno-dyfuzyjny

obni

ż

anie temperatury

spalania

ma

ł

a moc

gaz ziemny

P
A
L
E
N
I
S
K
O

Technika

Metoda

Inne czynniki

Rodzaj paliwa

4

4.3. Techniki ograniczania emisji tlenków
azotu – recyrkulacja spalin

recyrkulacja spalin:

a) zewn

ę

trzna,

b) i c) - wewn

ę

trzna

stopień recyrkulacji spalin, %

Stopie

ń

recyrkulacji r

– stosunek masy spalin
zawracanych do komory
paleniskowej do masy spalin
opuszczaj

ą

cych komor

ę

wpływ stopnia recyrkulacji na
zawarto

ść

NO

x

w spalinach:

a)

w

ę

giel brunatny

▲

b)

paliwo gazowe,

◄

Recyrkulacja zewn

ę

trzna:

●

wykorzystanie wentylatora

podmuchu, lub zastosowanie
odr

ę

bnego wentylatora,

●

kontrola stopnia recyrkulacji,

●

paleniska gazowe, paleniska

rusztowe i pyłowe (w

ę

giel)

Recyrkulacja wewn

ę

trzna:

●

wykorzystanie iniekcyjnego

oddziaływania strumieni,
wypływaj

ą

cych z dysz palników,

••••

brak kontroli recyrkulacji,

••••

głównie palniki olejowe

5

4.3. Techniki ograniczania emisji tlenków
azotu – zmniejszanie nadmiaru powietrza

Jest to sposób na ograniczenie emisji tlenków paliwowych a wi

ę

c stosowany dla paliw

zawieraj

ą

cych azot. W ubogich płomieniach, a wi

ę

c przy du

ż

ym współczynniku nadmiaru

powietrza azot paliwowy szybko utlenia si

ę

(tlenki azotu). W bogatych płomieniach, a

wi

ę

c przy niedomiarze powietrza azot paliwowy w du

ż

ym stopniu ulega konwersji do N

2

.

Metoda stosowana w paleniskach pyłowych. Skutki uboczne: niedopał, szlakowanie oraz
korozja.

▲

korelacja pomi

ę

dzy udziałem

NO

x

i CO w spalinach

Wpływ współczynnika
nadmiaru powietrza na
st

ęż

enie NO

x

w spalinach

odlotowych z kotła
OP-650 dla ró

ż

nych

konfiguracji palników

►

korelacja pomi

ę

dzy udziałem

NO

x

i CO w spalinach

6

4.3. Techniki ograniczania emisji tlenków
azotu – stopniowanie powietrza

Metoda powszechnie stosowana w
paleniskach pyłowych: 15 – 25 % powietrza
podawanego do palników kieruje si

ę

jako

powietrze wtórne dodatkowymi dyszami
nad palnikami pyłowymi na jednym lub
kilku poziomach. Dzi

ę

ki rozdziałowi

powietrza, spalanie w I strefie przebiega z
niedomiarem tlenu (

λλλλ

=0,8-0,9), co obni

ż

a

temperatur

ę

spalania i sprzyja konwersji

azotu paliwowego do N

2

.

▲

wpływ udziału powietrza wtórnego w całkowitej ilo

ś

ci powietrza na wska

ź

nik emisji

NOx dla ró

ż

nych współczynników nadmiaru powietrza: 1 – 4 %, 2 – 14 %, 3 – 18 %

I strefa

λλλλ

< 1

chłodzenie

II strefa

λλλλ

> 1

paliwo

powietrze pierwotne

Q

powietrze wtórne

7

4.3. Techniki ograniczania emisji tlenków
azotu – stopniowanie paliwa (reburning)

I stadium

λλλλ

≥

1

III stadium

λλλλ

> 1

w

ę

giel

powietrze

powietrze

II stadium

λλλλ

< 1

paliwo reburningowe

Reburning – wprowadzenie paliwa dodatkowego (np. gaz ziemny) w ilo

ś

ci

odpowiadaj

ą

cej 10-20 % całkowitej energii chemicznej wprowadzonej w obu

rodzajach paliw; celem jest wytworzenie rodników w

ę

glowodorowych

gaz z odmetanowania kopal

ń

jako paliwo reburningowe

instalacja reburningu pyłem w

ę

glowym: 1- młyn główny,

2 – młyn pomocniczy, 3 – wentylator recyrkulacji spalin,
4 – dysze OFA, 5 – palniki reburningowe, 6 – palniki główne

„ultradrobny pył
w

ę

glowy w ilo

ś

ci

20-25 % całkowitej
ilo

ś

ci paliwa,

spalany przy

λλλλ

- 0,8 - 09

8

4.3. Techniki ograniczania emisji tlenków azotu
– reakcje procesowe selektywnej redukcji
niekatalitycznej

(SNCR)

Iniekcja do komory paleniskowej:

a) amoniaku w stref

ę

temperatur 797 – 997

0

C (967

0

C

±±±±

50

0

C)

4 NO + 4 NH

3

+ O

2

⇒

4 N

2

+ 6 H

2

O

b) mocznika w stref

ę

temperatur 950 – 1047

0

C

CO(NH

2

)

2

+ 2 NO + ½ O

2

⇒

2 N

2

+ CO

2

+ H

2

O

●

w temp. ni

ż

szych powstaje amoniak

●

w temp. wy

ż

szych intensyfikuje si

ę

proces tworzenia tlenków azotu

np. w przypadku iniekcji amoniaku, w temperaturze powy

ż

ej 1097

0

C zachodzi

reakcja 4 NH

3

+ 5 O

2

⇒

4 NO + 6 H

2

O

9

4.3. Techniki ograniczania emisji tlenków azotu
– schemat instalacji

SNCR

schemat instalacji SNCR

▲

wpływ temperatury na redukcj

ę

NOx podczas iniekcji amoniaku

wpływ dodatku wodoru na stopie

ń

redukcji NOx metod

ą

SNCR

►

10

4.3. Techniki ograniczania emisji tlenków azotu
– metoda selektywnej redukcji katalitycznej

SCR

reaktor

KATALIZATOR

DYSZE WTRYSKU

NH

3

Konwersja NOx do N

2

z wykorzystaniem

amoniaku jako gazu redukcyjnego w
obecno

ś

ci katalizatora (np. V

2

O

5

, Pt, Rh)

w temperaturach 300 - 400

0

C

Reakcje procesowe

6NO + 4NH

3

⇒

5N

2

+ 6H

2

O

4NO + 4NH

3

+ O

2

⇒

4N

2

+ 6 H

2

O

6NO

2

+ 8NH

3

⇒

7N

2

+ 12H

2

O

2NO

2

+ 8NH

3

+ 4O

2

⇒

5N

2

+ 12H2O

11

4.4. Porównanie skuteczno

ść

redukcji NO

X

przy u

ż

yciu ró

ż

nych technik i dla ró

ż

nych

paliw

5-10

10-35

20-60

20-80

Recyrkulacja spalin

10-80

10-50

20-40

20-60

Palniki niskoemisyjne

10-50

10-40

10-40

10-40

Stopniowanie powietrza

10-30

10-60

10-60

Obni

ż

ona temperatura spalania

10-50

10-50

10-50

30-50

Reburning

30-80

30-80

30-80

U

ż

ycie amoniaku lub mocznika

gaz

olej ci

ęż

ki

olej lekki

w

ę

giel

Efekt redukcji w % dla poszczególnych paliw

Technika redukcji
emisji tlenków azotu

12

4.3. Skuteczno

ść

redukcji NO

X

przy u

ż

yciu

skojarzonych technik w procesach spalania
w

ę

gli energetycznych

> 80 %

Hybryda SNCR/SCR

40-60 %

Palniki niskoemisyjne i reburning (w

ę

giel)

80-95 %

SCR

30-50 %

SNCR

~ 60 %

Palniki niskoemisyjne i reburning (gaz ziemny) bez recyrkulacji spalin

55-65 %

Palniki niskoemisyjne, reburning (gaz ziemny) z recyrkulacj

ą

spalin

60-70 %

Palniki niskoemisyjne i reburning (gaz ziemny)

35-70 %

Palniki niskoemisyjne i stopniowanie powietrza

30-55 %

Palniki niskoemisyjne

13

4.4. Skutki uboczne i koszty redukcji przy
u

ż

yciu ró

ż

nych technik dla procesów spalania

paliw stałych

Jednostkowe nakłady inwestycyjne na odazotowanie
spalin (R. Wilk, 1999)

Skutki uboczne

•

ż

u

ż

lowanie komory paleniskowej

•

pogorszenie stabilno

ś

ci pracy

palników

•

wzrost zanieczyszczenia

powierzchni konwekcyjnych

•

wzrost temperatury wylotowej

spalin

•

erozja powierzchni

konwekcyjnych

•

korozja wysokotemperaturowa i

korozja niskotemperaturowa

•

niezupełne i niecałkowite

spalanie