Reburning. Status over internatianale erfaringer. Peter Glarborg & Sven Hadvig Danmarks Tekniske Skole. Nordisk Gasteknisk Center

Transkript

1 Reburning Status over internatianale erfaringer Peter Glarborg & Sven Hadvig Danmarks Tekniske Skole Nordisk Gasteknisk Center Nordie Gas Technology Centre

2

3 REBURNING status over internationale erfaringer Peter Glarborg & Sven Hadvig Laboratoriet for Varme~ & Klirnateknik Danmarks Tekniske H;Jjskole NGC~rapport Forbrrendingsteknik & Milj;J Juli 1989

4

5 NGC's projek1er "Modellering af forbrcendingsprocesser" og "Reburning". Der fokuseres i disse år på mulighederne for at reducere emissionen af kvrelstofoxider, NOx fra forbramdlngsprocesser. '. Naturgas, der er et meget rent brrendsel, kan generelt forbrrendes med lav emission af forurenende stoffer, men dog ikke uden dannelse af en vis mrengde kvrelstofilter. Nordisk Gasteknisk Center gennemf0rer med start primo 1989 og slutning ultimo 1990 to projekter, der skal lede til en bedre forståelse af dannelsen af NOx og dermed skabe bedre muligheder for at nedbringe emissionen af NOx fra fqrbrrendingsprocesser. De to projekters titler er Modellering af forbr~ndingsprocesser og Reburning. l. Modellering af forbra:!ndingsprocesser. Projektet "Modellering af forbrrendingsptocesser 11 har til formål at udvikle en EDB-model, der ved integration af flowog forbrrendingsmodeller samt en detaljeret beskrivelse af de reaktioner, der leder til dannelse af kvrelstofilter, kan arrvendes til udvikling af forbrrendingsprocesser med lav NOxemission. Programmet skal i detaljer muligg0re studier af for eksempel brrenderudformning, forbrrendingsrummets st0rrelse og udformning samt driftsforhold. Projektet afsluttes med et antal scenarier, hvor mulighederne for at opnå lavere NOx-emssion vurderes.

6 Projektet udf0res af Sintef, Trondheim Avdeling for Varmeteknikk Danmarks Tekniske H0jskole, Lyngby Laboratoriet for Varme- og Klirnateknik Äbo Akademi, Äbo Kemisk Tekniska Fakulteten. 2. Reburning. Reburning er en proces, hvor naturgas arrvendes som et additiv, der ved tilsatning til r0ggas fra for eksempel forbr~nding af kul, reducerer r0ggassens indhold af kv~lstofilter. Naturgas injiceres efter den prim~re forbr~ndingszone, hvorved der skabes en zone med reducerende forhold, den såkaldte reburningszone. Her nedbrydes kvrelstofilterne af reaktionsvillige kulbrinteradikaler. Efter reburningszonen tilledes luft, sådan at uforbr~ndt naturgas oxideres f0r r0ggassen går til kedlens konvektionspart. ved laboratorie- og pilotskalafors0g er det vist, at reduktion af kvrelstofilteemissionen på over 50% er mulig med processen, men betydningen af procesparametre som primrert og sekund~rt luftoverskud, temperaturforhold, opholdstid og tilsat mrengde naturgas er endnu ikke fuldstrendigt beskrevet. Disse faktorer unders0ges 1 dette projekt. under anvendelse af det avenfor beskrevne beregningsvrerkt0j, der modificeres til også at beskrive reburningsforhold er det formålet at optimere reburningprocessen, blandt arrdet under inddragelse af

7 demonstationspro resultater fra afsluttede og igangv~rende jekter i anden regi. Projektet udf0res af Sintef, Trondheim Avdeling for Varmeteknik Danmarks Tekniske H0jskole, Lyngby Laboratoriet for varme- og Klirnateknik Åbo Akademi, Åbo Kemisk Tekniska Fakulteten Kungliga Tekniska Högskolan Institutionen för Värme- och ugnsteknik. 3. Publicering af projektresultater. Resultaterne fra de to projekter beskrives i en rrekke rapporter, som udarbejdes af de enkelte projektdeltagere, efterhånden som arbejdet skrider frem. Disse rapporter tjener flere formål, blandt andet skal de sikre formidlingen af resultater mellem de enkelte deltagere. Da rapporterne vil indeholde den nyeste viden på området, og da Nordisk Gasteknisk Center 0nsker at udbrede kendskabet til nye anvendelsesområder for naturgassen, offentligg0res projektrapporterne efterhånden som de udfrerdiges. Det skal bem~rkes, at rapporterne udgives af NGC, men optrykkes urendret, som de er udarbejdet af de enkelte konsulenter. Rapporterne giver altså ikke n0dvendigvis udtryk for holdninger, der kan till~gges NGC. Det er vart håb, at der må vrere interesse for disse udgivelser.

8

9 Resume Denne rapport omhandler de internatianale erfaringer med reburning. Reburning er en NOx kontrolteknik, der fjerner NOx fra forbrrendingsprodukterne ved at bruge brrendsel som reducerende komponent. Projektet er et delprojekt under NGC-projektet Reburning. På grundlag af kemisk kinetiske beregninger og udvalgte flowreaktor- og pilotskaladata analyseter rapporten kemien bag reburningprocessen ved brug af forskellige reburningbrrendsler. På baggrund af pilotskalaresultatet gen nemgås betyddingen af de forskellige procesparametre, og der opstilles retningslinier for reburning ved brug af hhv. naturgas og kul som reburningbrrendsel. De forskellige mulige reburningbrrendsler sammenlignes, og det påvises, a.t naturgas bar en nekke effektivitetsm<essige og driftsma'!ssige fordele som reburningbr<endsel. F0lgende retningslinjer b!zir overholdes for at få de bedste resultatet ved brug af naturgas som reburningbr<endsel: Optimalt luftoverskudstal i prim<er forbramdingszone på Tillad kompiet udhr<ending af prim<erbrrendslet f0r reburningbrrendslet tilsrettes (svarende til en opholdstid i den primrere forbrrendingszone på mindst 300 msek med kul som primrerbr<endsel). Tilsret ga.ssen, så bedst mulig opblanding opnås. Tilsret reburningbrrendslet ved så h0j en kedeltemperatur som mulig. Tillad en opholdstid i reduktionszonen på ca. 400 msek. Ved lave NO-niveauer kan en kortere opholdstid dog vrere tilstr<ekkelig. Under de fleste driftsbetingelser vii den optimale mrengde af reburningbrrendsel udg0re 15-20% af det totale varmeinput, svarende til et luftoverskudstal på 0.9. Ved relativt lave temperaturer (~1400K) kan reburningeffektiviteten imidlertid forbedres ved at for0ge reburningbrrendselsm<l'!ngden. Endelig indeholder rapporten en kort diskussion af fuldskalaerfaringer fra Japan og USA.

10 Abstract This report describes the international experiences with reburning. Reburning is a.n NOx control method that remaves NOx from the combustion efhuents using fuel as reducing agent. The project is part of the NGCproject Reburning. Based on kinetic calculations and selected data from How reactor and pilot scale experiments the report analyzes the chemistry of the reburning process using different reburning fuels. From pilot scale results in the literature the importance ofthe various process parameters are disenssed and guidelinea for optimum performance using natural gas and coal, respectively, as reburning fuels are outlined. The different practical reburning fuels are campared and it is shown that natural gas is a.dva.ntageous as reburning fuel since it is more efficient and requires less residence time. In order to achieve the best performance using natural gas as reburn.ing fuel the following rules should followed: Optimum excess air ratio in the primary combustion zone should be Allow for complete hurn out of the primary fuel before adding the reburn.ing fuel (with coa.l as primary fuel a residence time of at }east 300 msec is required in the primary zone). Optimize gas injection to achieve rapid mixing. Maximize the temperature at the reburning fuel injection point. Allow a residence time in the reburn.ing zone of 400 msek. At low NO-levels a shorter residence time may be adequate. Under most conditions the optimum amount of reburning fuel is 15-20%, corresponding to an excess air ratio of 0.9. However, if the reburning temperature is relatively low (:::; 1400K) efficiency can be im proved by raising the amount of reburning fuel. Finally the report contains a short discussion of full scale tests that have been carried out in Japan a.nd United States.

11 Konklusion Reburningteknikken har sin force i forbiddelse i forbindelse med forbramdingssystemer med relativt h0je NOz-niveauer, dvs. primcert fastbrceddelsfyrede anlceg. Fordele ved reburning inkluderer: Teknikken er billig sammenlignet med r0grensdingsteknikker, f.eks. SCR. TeknikkeD har et betydeligt potedtiale som N Oz-kontrolteknik. Ved brug af naturgas som reburningbrcendsel har man i pilotskalafors0g opnået reduktioner i NOz på 60-80%. TeknikkeD har en rcekke fordele fremfor andre lav-noz-fyringsteknikker. Således er probierner med korrosion og slagging minimeret, fordi den primcere forbrcendingszone, hvor temperaturen er h0jest, kan opereres med luftoverskud. EDdvidere er det ved reburning nemmere at regulere lastområdet end tilfreldet vii vcere for de fleste lav-no:cbrcendere. I både kul- og oliefyrede systerner har reburningprocessen vist sig at vcere en effektiv metade til reduktion af N 0:~: i sel ve kedelen. Reburningteknikken virker bedst ved relativt h0je NOz-niveauer. Den bedste effektivitet opnås normalt med reburningbrcendsler, som ikke indeholder brcendsels-n, og kvrelstoffrie brcendsler er n0dvendige for at reducere lave NOprim-koncentrationer. Probierner med uforbrcendt og GO er små, specielt ved brug af naturgas som reburningbrcendsel.

12 3.4.2 Driftsforhold Som diskuteret i indledningen har reburning en rc:ekke driftsmressige fordele fremfor andre lav-noz-fyringsteknikker, Disse fordele, som inkluderer minimal risiko for slagging og korrosion og nemmere lastregulering, opnås uanset reburningbramdsel. Der, hvor valget afreburningbramdsel har st111rst betydning for driften, er i forbindelse med udbrrendingsproblematikken. I og med, at der ved reburning tilscettes brrendsel odenfor den primrere forbrrendingszone, er der risiko for en ufuldstcendig forbrrending. Bartok et al. (1987) har målt GO og uforbrrendt i asken på et kulfyret pilotanlceg (figur 24). Ved normal drift var askeindholdet af uforbrcendt kulstof ca.. 1%. Ved naturgasreburrting steg uforbrcendt kulstof i asken kun ubetydeligt. Med 20% kul til reburning steg uforbrrendt kulstof i asken til 2.5%. Tilsva.rende gjorde sig greldende for emissionen af GO. Ved tilscetning af 20% naturgas mäles faktisk lavere GO-emissioner end ved normal drift. o "' 50. GO A Lo/ i).-/ Ii' 6 o "' 40 COAL / >- NATURAL GAS a: r " U) o 30 4 :> z "- "- 20 z 2 6- o NATURAL GAS x m w a: 10 o "' o o % REBUANING FUEL o % REBUANING FUEL "' Figur 24: Effekt af reburningbramdsel for emissioner a.f GO og uforbrrendt. Naturgas- og kulreburning på kulfyret pilotanlreg. Fors0gskedel 2. (Mc Carthy et al. 1987). 36

13 lndholdsfortegnelse 1. Indledning Reburning kemien Procesparametre..., Den primcere forbrrendingszone Reduktionszonen Luftoverskudstal/mrengde af reburningbramdsel..., Opholdstid Temperatur Udbramdingszonen V alg af reburningbrrendsel Reburningeffektivitet..., Driftsforhold konomi Injektionsmetode for reburningbrcendsel og udbrcendingsluft Reburning i ful d skala...,.., Sammendrag...,...,..,...,.,,.,,., Referencer...,...,.,., Appendiks A: Symbolliste..,.,...,...,. 48 Appendiks B: Kedeldata... 49

14

15 l Indledning Reburning er en NO~-kontrolteknik, der fjerner NOx fra forbramdingsprodukterne ved at bruge brrendsel som reducerende komponent. Fremgangsmåden blev oprindelig udviklet a.f John Zinc Company {Reed 1969) og Wendt et al. (1973). ldeen bygger på, at kulbrinteradikaler kan reagere med NO, hvilket har vceret kendt i over 30 år (Myerson et al. 1957). Wendt et al. d~bte processen rebumingog den betegnelse vil også bli ve brugt her. Processen er også kendt som tretrinsforbrrending, staged fuel injection (dvs. trinvis brrendselstilsretning), In-Furnace-NOx-Reduction (IFNR, efter Hitachi-Babcock) og Mitsubishi Advanced Combustion Technology (MACT). Retluft Sekund&rt brrendsel Hovedbr<~:nder r tidbr;;;d~~~,_z~l!_e...,. / (Reduktiouszone) ' /-----: f Pr1mrer ' 1 forhrrendings- ) ""- / \ zone l NO-z~koncentratioll Figur 1: Princippet i reburning (efter Necker 1985) Princippet i reburning er vist på figur l. Ideen er, at forhrrendingsprocessen deles op i tre zoner: Primrer forbramdingszone. Dette er den primrere varmeafgivelseszone; den tegner sig for omkring 80% af det totale varmeinput til systemet og den opereres normalt med luftoverskud. NO-niveauet ved udgangen af denne zone, NOprim, defineres som inputtet til reburn.ingprocessen. l

16 Reduktionszone. Reburningbrcendslet, der normalt udgt~~r 10-20% a.f den samlede brrendselsmamgde, tilsrettes efter den prirorere forbramdingszone, således at der dannes en bramdselsrig, N 0-reducerende zone, reduktionszonen eller reburningzonen. Reaktivt kvrelstof kan komme ind i reduktionszonen fra to kilder: den prirorere NO og kvcelstofbundet i reburningbrrendslet (bramdsels-n). Disse reaktive kvcelstofkomponenter reagerer med kulbrinteradikaler under dannelse af HCN og N Ha. En del af dette kvre]stof konvetteres til N2 og noget bevares som reaktivt kvcelstof. H vis reburningbrrendslet er et fast brrendsel, kan kvallstof også forlade denne zone som char-n. Udbramdingszone. I denne zone tilsrettes tilstrrekkelig ilt til at sikre, at der totalt set er luftoverskud og at der sker en fuldstrendig udbrrending. En del a.f det reaktive kvrelstof reduceres i denne zone til N2, mens resten emitteres som NO. Reburningteknikken udgtllr et lovende alternativ til de konventionelle NO:r: kontrolteknikker, og der er i l~ bet af 1980'erne sat store resourcer ind på at udvikle og optimere processen. Rent praktisk er man nået lrengst i Japan, hvor bl.a. Mitsubishi H.l., Babcock-Hita.chi K.K. og flere elvrerker har satset på denne teknik. Det har resulteret i, at alene BHK har anvendt reburning som retrofit lav-no,;r; teknik på lojapanske vregfyrede anlceg (Maringo et al. 1987). Disse kedler er gas-, olle- og kulfyrede og rangerer fra 150 til 700 MW i st~rrelse. Resultaterne har vceret meget lovende. Ved en kombination a.flav NOx-brcendere og reburning er det lykkedes at bolde NOx-emissionerne fra dis se kedler ved gas-, olle- og kulfyring ned e på hhv p pm, p pm og ppm, alle ved 3% 0 2 Disse erfaringer kan dog ikke overf~res direkte til europceiske for hold, idet de japanske kedler har en anden udformning, der g~r dem mere velegnede til reburning. Endvidere er hovedparten af disse resuttater opnået på nye kedler, der er bygget specielt til teknikken. I Europa og USA vii reburning få stt~~rst betydning i forbindelse med eksisterende kedler. I USA og Vestenropa har man endnu kun få fuldskalaerfaringer med reburningteknikken. Der er imidlertid udft~~rt en lang rcekke pilotprojektet, specielt i USA. Denne forskningsindsats er nu ved at bcere frugt og resultaterne udnyttes i forbindelse med fuldskala.fors!llg. Reburningteknikken har sin force i forbindelse med forbrrendingssystemer 2

17 med relativt h0je NOx-niveauer, dvs. primrert fastbrrendselsfyrede anlreg. Under optimale forhold er teknikken meget effektiv i forhold til andre forbrrendingsteknikker (figur 2). For at opnå de samme resultater med f.eks. totrinsforbrc:ending er det n0dvendigt at k0re den primrere forbrrendingszone med så lave luftoverskudstal, at det vii give vresentlige driftsproblemer. :::f ~ ~ ~ lold 90!1 Ai< o m~. 250"C ~, - soo<chio..;, ro, primuy ''"' Si<>'l' ""'~" ""''"'' -o--- ~~o=<ionotbvm"l --"./ O.F A. oombut!im,.-o Tbtoe " combvnioo -" / '"'""' o- ----o, Co"""""""'"'"''" 91 1~1 Figur 2: Sammenligning af NOx-emissioner ved forskellige forbramdingsmetoder på en kulfyret (200 kg/t) pilotkedel af vandr0rstypen. Brrendsel (primrer/reburning): kul med 1.8% kvrelstof. (Okigami et al. 1985). Ved lavere primrer-no-niveauer vil det normalt vrere ligeså effektivt at anvende en form for totrinsforbrrending. Ogsåi disse tilfrelde kan det imidlertid vrere fordelagtigt at vrelge reburning, da man herved opnår nogle driftsmressige fordele. Korrosion og slagginger probierner, der ofte opstår ved totrinsforbrrending og for nogle lav-nox-hramdere. Disse probierner er minimeret ved reburning, fordi den primrere forbrrendingszone, hvor temperaturen er h0jest, kan opereres med luftoverskud. Endvidere er det ved reburning nor- 3

18 malt nemmere at regulere lastområdet; dette kan vrere et betydeligt problem ved brug af lav-no:~:-bramdere. I en del tilfcelde er reburning den eneste lav-no:~:-forbrcendingsteknik, der er mulig. For en del kedeityper udelukker selve forbrcendingsprindppet brug af lav-no:~:-brcendere. Det gcelder bl.a. kedeltyper, der brcender vanskeligt bändterbare brcendsler. På mange af disse kedeityper vii det også vcere problematisk at benytte totrinsforbrrending; enten fordi det giver for store mrengder uforbrrendt i asken (f.eks. for ristefyrede kedler) ellerfordidet giver for store korrosionsproblemer (f.eks. for cyklonfyrede kedler). I denne rapport vii reburningteknikkens potentiale og betydniogen af forskellige procesparametre blive diskuteret. Dette vii ske primcert på baggrund af erfaringer fra pilotskalafors~g og enkel te fuldskalatests. I gennemgangen af betydniogen af forskellige procesparametre har jeg lagt mest v;,egt på pilotskalaresultater, der er opnået under rimeligt veldefinerede forhold. De kedler, hvorpå de gengivne fors~gsresultater er opnå.et, har jeg nummeret og i appendiks B findes en kort beskrivelse af hver enkelt kedel, tilligemed en reference, hvor man kan finde yderligere oplysning om fors~gsopstillingen. Bag i rapporten findes endvidere en symbolliste. 2 Reburning kemien Ved hjrelp af et stort antallaboratorie- og pilotskalafors~g (se nreste afsnit) er man nået langt i retning af at optimere reburningprocessen. Der forest år imidlertid stadig et betydeligt arbejde for at kunne udnytte teknikken ful d t ud. En af de vresentlige forudsretninger er en dybere forståelse af de kemiske og fysiske processer, der finder sted. Det er n~dvendigt med modelvcerkt!lljer, der er i stand til at beskrive reburningprocessen på elementcert niveau, for at kunne forklare tilsyneladende modstridende fors!llgsresultater fra forskellige pilotanlceg, OVerf!llre erfaringer med teknikked direkte fra en kede}type eller - St0fre}se til en anden, 4

19 få det ful de ud bytte af teknikken også i fuld skala. Nedbrydningen af NO i den reducerende zone sker gennem to typer reaktioner: CHi+NO-+XN+... XN+NO-+N2+... Her symboliserer C Hi kulbrintefragmenter, som dannes ved dekomposition af reburningbramdslet. X N symboliserer cyanider og aminer. Nedbrydillogen af NO i reduktionszonen sker ved reaktion med hhv. kulbrinteradikaler og reaktivt kvrelstof. Reaktioner mellem NO og CHi-radikaler fr6rer til dannelse af cyanidforbindelser, primrert HCN. Cyaniderue vil for en stor del blive omdannet til aminer. Amineradikaler (NH2, NH, N) og cyanidradikaler (C N, NCO) kan så reagerer med NO under dannelse af N2. Kun ved reaktion med reaktivt kv<elstof kan NO direkte reduceres til N2. De kemiske processer i reduktionszonen afuamger ai hvilket reburningbr<endsel, der benyttes. Brrendslers effektivitet som reburningbreendsel kan vurderes efter tre kriterier: breendslets konsistens breendslets komposition brrendslets indhold af bundet kvrelstof Bramdslets konsistens, dvs. om det er gasformigt, flydende eller fast, har betydning for, hvor hurtigt det dekomponerer og reagerer med NO. På figur 3 er vist resuttater fra tests med brug af en rrekke gasformige kulbrioter ( acetylene, etylene, isobutan, naturgas) samt naphtalene, som er på fast form. Det ses, at ved samme opholdstid er de gasformige kulbrinter mere effektive end det faste breendsel For de faste breendsler forsinkes dannejsen af de nr6dvendige flammeradikaler, fordi der fr6rst skal ske en forgasning eller pyrolyse. I de tilfrelde (som her), hvor opholdstiden er en begrrensende faktor, medfr6rer dette en forringelse af effektiviteten. Faste brrendaler såsom kul krrever generett lrengere opholdstid i reburningzonen. 5

20 w z 80 )i w a. 60 c.? 40 x w --x 20 o z o - - INOxlp r- - 8 ål o z (Ii "' :J: ~ :1: J: o " o (.) o o o o o "' "'.. " - :J: Figur 3: Effektivitet af forskelige gasformige kulbrinter (C 2 H 2, C 2 H 4, C4H10 og naturgas), en kulbrinte på fast form (CwHs), samt methanol (CH 3 0H) og GO som reburningbrrendsler. >. 1 = 1.1..\ 2 = r 2 = 400 msek. Fors~gskedel 2. (Chen et al. 1988). Et br<endsels effektivitet som reburningbramdsel hrenger sammen med dets evne til at producere kulhrinteradikaler. Jo h0jere koncentrationen af CH; radikaler er, desto hurtigere nedbrydes NO i den reducerende zone. Det er brnmdslets komposition, der bestemmer, hvorvidt CHi radikaler eller GO er favoriseret som dekompositionsprodukt under brrendselsrige forhold. På figur 4 er vist dekompositionsprofiler for forskellige typer gasformige brrendsler. De stmre kulbrioter med tre eller flere earbonatomer nedbrydes hurtigt til Gr og Cz-kulbrinter, hvorefter dannelsen af CHi-specier og GO forl0ber som på figuren. Normalt antager man, at dannelsen af CHi-radikaler er proportional med CfR-forholdet i brrendslet, således at f.eks. acetylen (C 2 H 2 ) skulle danne st0rre mrengder (og dermed vrere mere effektiv som reburningbrrendsel) end methan (CH 4 ). Nogle resultater (Overmoe et al. 1985) synes at bekrrefte dette, mens andre (som dem vist på figur 3) tyder på, at det ikke har så stor praktisk betydn.ing. De "rene" kulbrioter vil alle under bramdselsrige forhold danne betydelige mrengder C Hi-radikaler. 6

21 Figur 4: Dekompositionskeroi for Gr og C2~kulbrinter og for methanol. Modificeret udgave af dlagram fra Chen et al. (1988). Indeholder brrendslet ilt såsom methanol (CH 3 0H), er GO-komponenter favoriseret i oxidationsprocessen i forhold til CH;- radikaler (figur 4). Dette skyldes, at C=O-bindingen er vanskeligere at bryde end C~H-bindingen. Dette medf!zirer, at de iltholdlge brrendsler er mindre velegnede som reburningbrrendsler end rene kulbrinter, h vilket også tydeligt fremgår aj figur 3. De mindst effektive reburningbrrendsler er H 2 og GO, som kun danner rueget små mrengder CH;-specier gennem vekselvirkning med C0 2 og H 2 0. Gasset: såsom syntetiske gasser fra kulforgasnlng, der indeholder betydelige mrengder GO og H 2, vii således ikke vrere srerlig effektive som reburningbrrendsler. Ved brug af naturgas eller andre gasformige kulbrinter som reburningbrrendsel kan reduktionsprocessen i reburningzonen forl~be som vist på figur 5 (Miyamae et al. 1985). Her er vist målte koncentrationsprofiler for de reaktive kvrelstofforbindelser (NO, HCN og N H 3 ) for reburning under kontrolierede str!zimningsforhold i en flowreaktor. Summen af det reaktive kvrelstof (T F N) er ligeledes vist. En rendring i T F N svarer til en rendring i koncentrationen af N 2 7

22 1.0 l [ffnjex w ' o Residence Time (rnsec) Figur 5: Flowreaktorfors~g: omdannelse af reaktivt kvrelstof i reburningzonen. Reburningbramdsel: methan. Luftoverskudstal.\z= 0.9. T 2 =1673K. (Miyam"" et al. 1985). Det fremgår af figuren, at reburningprocessen kan opdeles i to karakteristiske faser. Den fr6rste del afreburningzonen er ka.ra.kteriseret ved tilstedevrerelsen af ilt (indeholdt i r0ggassen fra den primrere forbrrendingszone) og teroperaturen er relativt h0j. I denne fase reagerer reburningbrrendslet (methan) hurtigt med NO og 80-90% af NO omdannes til HCN i l0bet af msek. I dennreste fase, lod-400 msek, sker der en omdannelse af HCN til NH 3, fulgt af en delvis reduktion af N H 3 til N 2 Denne fase er karakteriseret ved, at il ten stort set er opbrugt, og temperaturen og koncentrationen af fri radikaler falder. Det te medf0rer, at de kemiske processer foregår langsommere. Ved brug af gasformige reburningbrcendsler er denne fase afg0rende for, hvor lang en opholdstid reburningprocessen krcever. På figur 6 er vist resnitater fra en pilotkedel (Lanier et al. 1986) for tre forskellige luftoverskudstal. Her er ligeledes målt koncentrationsprofiler for NO, HCN og N H 3 På figuren ses også det målte emissionsriveau for NO 8

23 og det emissionsniveau, som var blevet resultatet, hvis alt reaktivt kvrelstof fra reduktionszonen var blevet konverteret til NO. Sidstn<evnte niveau er korrigeret for forandringen i moltal forårsaget af tils<etning af udbr<endingsluft, og omsat til t~~sr basis ved O% 0 2 Også under disseforhold kan omdannelsen af det reaktive kv<elstof i reburningzonen opdeles i to karakteristiske faser, men forl~~sbet er noget anderledes. Vi ser igen en hurtig omdannelse af NO til HCN ved tils<etningen af re- burningbr<endslet (naturgas). TidsskaJaen for denne omdannelse er som f0r 50-75msek. lmidlertid er det kun i de f0rste msek, at det reaktive kvc:elstof omdannes til N 2. I nc:este fase, mellem 20 og 50 msek, opvejes nedbrydningen af NO af dannelse af HCN og N H 3 ; TFN-niveauet er konstant. Således sker der i fase 2 primcert en omfordeling af FN-komponenterne. Efter ca. 50 msek er reduktionsprocessen gået i stå. En lc:engere opholdstid vii således ikke i dette tilfc:elde resultere i en yderligere reduktion af N O-emissionen. Forskellene illustreter, at de aktuelle procesparametre har stor betydning for de kemiske processer i reburningzonen. De tre vc:esentligste forskeile mellem de to fors0gsserier er: Opblandingsforholdene (i pilotskalafors0get foregå.r der en reel opblandingsproces mellem r0gga.s og reburningbrrendsel, mens reaktanterne er forblanclede i flowreaktorfors0gene). Temperaturen (ca. 1400K i pilotskajafors0gene, 1673K i flowreaktoren). Dtkoncentrationen (7% i pilotskalafors0gene mod ca. 10% i flowreaktorfors~~sgene). Det er ikke muligt på. nuvc:erende tidspunkt at kvantificere effekten af de forskellige procesparametre, men beregninger (Glarborg & Hadvig) kunne tyde på, at forskellen i temperatur er kraftigt medvirkende til forskellene i forl0h mellem disse to fors0gsserier. Forskellen på figur 6 mellem niveauerne for 100% T F N omdannelse og det mälte emissionsriveau for NO viser, at der sker en betydelig N 2 -dannelse, når forbra:mdingsluften tils<ettes. DanneJsen af N 2 ses at vrere en funktion af, hvorvidt det reaktive kv::elstof forefindes som NO eller HCNfN H 3. Jo 9

24 200 SRr 0.97 SRr O.B6 SRr 0.7B 175 ~ TFH 150 HDex.. J. ~ " 125 ~ ~ ~ 100 u ~ ~ ~ z - 75 " 50 HCN HCH 25 HCH HHJ o ~ '"' l.oz J.OZ AllAl LOCATION, l.oz AXIAL LOCAT!ON, m AXIAL LOCATJON, m D 2~ O O 25 50?~ RESIOENCE TIME, ms RESIDEJ!!CE TIME, ms RESIDENCE TIME, ms Figur 6: Koncentrationsprofiler for FN-specier (HCN, NH3 og NO) i reduktionszonen ved tre forskellige luftoverskudstal (hhv. 0.97, 0.86 og 0.78). T F N er summen af F N-specierne. N O prim = 200 ppm. Fors0gskedel 3. (Lanier et al. 1986). lo

25 mere af kvrelstoffet, der findes som NO, desto mindre er omdannelsen til N,. På. figur 7 har La.nier et al. {1986) unders~gt betydningen af NOprsm-niveauet. Her er vist eksperimentelle resultaterfor tre forskellige koncentrationer, 206, 122 og 49 ppm. For alle tre vcerdier af NO prim reduceres NO-koncentrationen i reburningzonen med omkring 45%. T F N-profilerne er imidlertid meget forskellige for de tre NOprlm-niveauer. For de to laveste NOprsm-niveauer, 122 og 49 ppm, viser figuren, at der netto sker en stigning i T F N hen igennem reduktionszonen, svarende til en netto nedbrydning af N 2 Resultaterne fra La.nier et al. viser, at reburning på.virkes af to konkurrende mekanismer, en, der danner N2, og en, der nedbryder N2. Ved h~je ivoprsmniveauer dominerer N 2 -dannelsesmeka.nismen,.mens nedbrydningsmekanismen bliver stadig mere betydningsfuld ved lavere koncentrationer af NOprlm Det ses imid.lertid af figuren, at sel v ved de lave NOprlm-niveauer, hvor der netto sker en nedbrydning af N 2 i reduktionszonen, medf~rer reburningprocessen totalt set en reduktion af N O-emissionen. Det te skyldes, at en betydelig del af det reaktive kvcelstof, der f~res ind i udbrcendingszonen bliver reduceret og emitteres som N2. Det er trenkeligt, at det er N Hrindholdet i r~ggassen, der forårsager denne reduktion. Det er kendt, at ammoniak reagerer selektivt med NO i et bestemt temperaturområde (SNR-processen). H vis detteer tilfceldet, vil der kun finde en betydelig reduktion sted, hvis udbrcendingsluften tilsrettes i et smalt temperaturvindue, 1250 ± look. De fremskridt, der er gjort i forståelsen afkvrelstofkemien i de senere år, betyder, at vi med en hvis sikkerhed kan besterorne de vigtigste reaktionsveje ved omdannelsen af det reaktive kvrelstof i reburn.ingzonen, n"ä.r naturgas bruges som reburningbramdsel. Et diagram over kvcelstofkemien er vist på. figur 8. Diagranrmet er baseret på analyse af kvcelstofkemien ved forhrrending af kulbrinter (Gla.rborg et al. 1986, Glarborg 1987, Miller & Bowman 1989) samt f~lsomhedsanalyse og rate-of-productian analyse af kinetiske beregoinger for reburning (Glarborg & Radvig 1989). Udfra dette diagram er det muligt at forklare fors~gsresultaterne fra Miyamae et al. og Lanier et al. Selv om vores beregninger tyder på, at de kemiske processer i reburningzonen er meget afhrengige af lokale pararnetre såsomiltkoncentration og temperatur, kan observationerne forklares udfra 11

26 TFN ~.!'.. 125! ;, 100 ~ ~ 75 TFN ' l.z 1.4 1, l.z l.z 1.4 :.6 AXIAL LOCATION, ~ AXIAL LOCATIOH,m AXIAL LOCATION, ~ ' t RESIDEHCE TIME, ms o RESJDENCE TIME, IIIS zs sa s RESIDENCE TIME.~\ Figur 7: Koncentrationsprofiler for FN-specier (HCN, NH3 og NO) i reduktionszonen ved tre forskellige primcer-n 0-niveauer. T F N er summen a.f F N-specierne. A 2 = Fors0gskedel 3. (La.nier et al. 1986). 12

27 OH FLUE GAS --- NO +CH HCN _,.,o._ NCO!!:! NH _:!:!... N ~ N 2 (NOp,im.O,,...l. Y~~~ L : :;,Ce_H,_. ---' NH _../. CH; J Figur 8: Reaktionsdiagram over kvcelstofkemien i reburningzonen ved brug af naturgas som reburningbrrendsel (Glarborg & Hadvig 1989). fire overordnede trin: A D anne l se af CH i-ra dl'--' JUU.er: naturgas +O,H.OH ~ (CH 3 +OH,H)CH - +H.OH CH +H C B: NO-+ HCN-recyclereaktionen: CHi+ NO-+ HCN +..., i=0,1,2,3 C: HCN--omdannelse (0 2 tilstede): HCN ~... -+N +NO N 2 C 1 : HCN-omdannelse (02 forbrugt): HCN -+:E!f H NCO :±.!!N H 2 +~!.:!!JO NH, I den f0rste del af reburningzonen er der ilt tilstede, og hvis temperaturen er tilstrcekkelig h0j dannes betydelige mrengder C Hi-radikaler fra den tilsatte naturgas (trin A, se figur 4). CHi-specierne reagerer hurtigt med NO og forårsager den tidlige, hurtige omdannelse af N O t il H C N (trin B), som vi ser i begge fors0gsserier. De relativt h0je radikalniveauer fremmer også. trin C, så der sker en reduktion af reaktivt kvcelstof til N 2, hovedsagligt via N+ NO --+ N2 +O-reaktionen. I denne indledende fase forbruges ilten og kulbrinterne mdderes til GO. Dette forhltb ses både hos Miyamae et al. og Lanier et al. (figur 5 og 6). Den mindre effektive omdannelse af NO til HG N i sidstnawnte fors0gsrcekke skyldes efter alt at d0mme dels den lavere temperatur, dels den ringere opblanding. 13

28 Effektiviteten af reburningprocessen afhamger i h!llj grad af, hvad der sker med den dannede H C N i den resterende del af reburningzonen. Det te vii i h!il j grad a.fhamge af O~atomkoncentrationen. Omdannelse af H C N sker primcert ved reaktion med O, sel v under brcendselsrige forhol d. For at bryde C=.N~båndet krceves et iltatom til dannelse af en C=O-binding. HCN + OH-reaktioner er v;:esenlig langsommete end HCN +O. Normalt vil denne del af reburningzonen vcere karakteriseret ved faldende radikalkoncentrationer. Ved h!llje temperaturer, over 1800K, er denne effekt imidlertid ikke så. udprceget, og O-koncentrationen vil stadig vrere h!llj nok til at HCN +O (trin C) er dominerende, og der vii ske en betydelig omdannelse af H C N til N2. T il gengreld oxideres det resterende H C N til NO gennem N + OH --+ NO + H. Ved lavere temperaturer falder 0-atomkoncentrationen, hvilket betyder, at omdannelse af HCN gennem HG N +OH-reaktioner (trin C'), får betydning. Denne rute f!llrer fortrinsvis til dannelse af N H 3 Ved Miyama.e's flowreaktorfors!llg (figur 5) omda.nnes HCN overvejende gennem trin C', hvilket forklarer den betydelige opbygning af N H 3 N 2 -dannelsen sker efterf!lllgende gennem reaktioner af typen N Hi+ NO--+ N , i=0,1,2. Ved endnu lavere temperaturer er radikalkoncentrationerne så lave, at omdannelsen af HCN praktisk talt går i stå, og en stadig st!llrre del af det reaktive kvcelstof forbliver i form af HCN. Detteer tilfreldet på figur 6, hvor omdannelsen af HCN til NH 3 er beskeden. I forbindelse med figur 7 blev det vist, at der i reduktionszonen foregår to konkurrerende processer: en dannelsesmekanisme og en nedbrydningsmekanisme for N2. DanneJsen af N2 foregår ved proces C, mens nedbrydningen af N 2 sker ved proces D, dvs. ved reaktioner af typen C Hi + N 2 Disse reaktioner er også det indledende trin i prompt-n 0-dannelsen. Betydniogen af denne proces a.fhcenger, som vi har set, af NOprim-niveauet. Er dette niveau h!lljt, vil det reaktive kvcelstof, der dannes i proces D, kun udg0re en beskeden del af den totale mrengde reaktivt kvrelstof i reduktionszonen. Endvidere vii proces D-produkterne i dette tilfcelde kunne reagere med N O og hurtigt f!llres tilbage til N 2 Chen et al. {1988) viser, at for primrer NO-niveauer over 200 ppm har denne reaktionsvej ingen betydning. Dette er illustreret på figur 9. Her er sammenlignet resuttater fra to fors!llgsserier: en, hvor man har a.nvendt normal forbrcendingsluft (0 2 / N 2 ) og en, hvor man har a.nvendt en en kvcelstoffri forbramdingsluft bestående af Arj0 2 jc02. 14

29 Under de givne forhold er der ingen signifikant forskel på resulta.terne med hhv. den kvrelstofholdige og den kvcelstoffrie forbrcendingsluft.... z 100 w ~ 80 ~ ö. 60 d< z e ~ 20 - AIR vs. Ar/02/C02 AS PARIMARY OXIOANT -8~--/ O L-~~~~~~--~ SR2 Figur 9: Betydning af prompt-no-dannelse i reburningzonen. Sammenligning af resultater med hhv.luft (cirkler) og Ar/02/C02 (trekanter) som forbrcendingsluft. NOprim == 240 ppm. Fors0gskedel 2. (Chen et al. 1988). Er NOprim-niveauet imidlertid lavt, vil CHi+ N2-reaktionerne kunne give et betydeligt bidrag til mcengden af reaktivt kvrelstof. Samtidig vii reaktionen med NO have mindre betydning, og det reaktive kvrelstof vil for en stor del blive f0rt ind i udbrrendingszonen. Under disse forhold kan proces D medf0re en betydelig forringelse af effektiviteten a.f reburningprocessen. Nogle af de samme mekanismer g0r sig greldende, hvis rebumingbramdslet indeholder bundet kva;lstof I dette tilfrelde indf0rer reburningbrrendslet sel v reaktivt kvrelstof i reduktionszonen, h vilket påvirker reburningprocessen på samme måde som proces D. Det bra:mdsels-n, som via reburningbrrendslet tilsrettes reduktionszonen, vii hovedsaglig fremkomme i form af HCN eller N H 3 Er primrer-no-koncentrationerne h0je, f.eks ppm, kan det 15

30 tilf~rte breendsels-n bidrage positivt til reduktionen af NO gennem reaktioner af typen, X N+ NO --+ N2 +..., h vor X N er cyanid- eller amineradikaler. Det te er grunden til, at kul, som normalt har et h~jt indhold af brcendsels-n, under de rette forbrcendingsforhold og givet en tilstrcekkelig opholdstid kan vcere et lige så effektivt eller endog mere effektivt reburningbrcendsel end brrendsler, der ikke indeholder bundet kv<elstof. Et eksempel på dette er vist i afsnit 3.2 på figur 21. Er NOpr;m-koncentrationerne derimod lave, vii denne reaktionsvej miste sin betydning. Istedet vii en betydelig del af brrendsels-n som reaktivt kvc:elstof blive f~rt ind i udbrrendingszonen, hvor det vii blive oxideret til NO og dermed forringe effektiviteten af reburningprocessen. Denne effekt er blevet unders~gt eksperimentelt af bl.a. Mulholland & Hall (1985). På figur 10 er vist sa.mmenhrengen mellem kv<elstofindhold i reburningbrrendslet og den samlede reduktion i NO som funktion af NOprim Figuren er konstrueret på basis af fors~g med naturgas tilsat forskellige mamgder ammoniak som reburningbrrendsel. Figuren viser, at ved lave NOpr;m niveauer, mellem 50 og 200 ppm, omdannes 30-50% af brrendsels N til NO. Under disseforhold begrcenser indholdet af brrendsels-n altså den NO-reduktion, der kan opnås med et givet brrendsel Det ses, at for lave NOprim niveauer, under 200 ppm, kan reburning med kv<elstofrige brrendaler f~re til en sarnie t forugelse i N O-emissionen. På figur 11 er vist et reaktionsdiagram over de vigtigste reaktionsveje i reburningzonen ved brug af kulst0v som reburningbrrendsel. Kul vil typisk indeholde betydelige mrengder bundet kvrelstof, op til 2%. 0verst på figuren er skitseret, hvorledes der ved pyralyse a.fgives N-volatiles i form af HCN og N H 3 Samtidig vii en del a.f de flygtige bestanddele afgives i form af kulbrinter, der kan f0re til dannelse af CHi-radikaler. Diagrammet for kvrelstofkemien (nederst på figur 11) ligner meget det tilsvarende for brug af naturgas. Den prim<ere forskel er, at N-volatiles fra kullet 0ger koncentrationen af cyanider og aminer. Endvidere er der her mulighed for, at der kan ske en heterogen reduktion a.f NO på overfladen af kul- og charpartiklerne. De heterogene reaktionsveje vii dog ikke have så stor betydning under de forbrrendingsforhold, der normalt vii herske i reduktionszonen. 16

31 ," l...! "!... i l '"'"""" - Figur 10: NO~reduktion ved reburning som funktion a.f reburningbrrendslets indhold af bundet kv<elstof og NOpr;m-koncentrationen. Ba.seret på fors~gsresultater med naturgas tilsat ammoniak som reburningbrrendsel. Forsogskedel 3. (Mulholland & Hall 1985). 3 Procesparametre Ved hj.-elp af pilotskajafors0g med reburningteknikken har man fäet en bedre forstå.else af betydniogen af forskellige parametre. Samtidig har man demonstretet teknikkens storepotentiale-under gunstige, velkontrollerede forhol d. De vigtigste pararnetre er: Primcer forbramdingszone: - primrerbramdsel - temperatur T1 - luftoverskudstal Åt - opholdstid r 1 Reduktionszone: 17

32 KUL pyrelyse., VOLATILES / N-volatiles /HCN ""NH, ~CxHy CH 1 (1=03) +Char l,---~-"'<0"'----h ~-----,~ l R0GGAS ~ NO +CH HCN +O NCO +H NH +H N~ N (NOp,;m.O,,...) t L::::=-_ c_h_.. c,h,_5-j~--~---'~ ~N-volatlles Figur 11: Reaktionsdiagram over de vigtigste reaktionsveje i reburningzonen ved brug af kulst0v som reburningbramdsel. 0verst dannelse af C H; radikaler og reaktivt kvrelstof ved pyralyse af brrendslet. Nederst kvrelstofkemien, der forårsager reduktion af NO. - reburningbrrendsel - tilsretningsmåde for reburningbrrendsel (bes ternmer opblandingsforhold) - temperatur T2 - luftoverskudstal..\2 - opholdstid r 2 Udbr.-endingszone: - tilsretningsmåde for udbrrendingsluft - temperatur T 3 - luftoverskudstal..\3 - opholdstid r3 18

33 3.1 Den primmre forbrmndingszone Breendsel og forbrcendingsforhold i den primcere forbrrendingszone har ind+ flydelse på reburningprocessen i og med, at de er bestemmende for temper+ atur og r~gga.ssammenscetning ved indgangen til reduktionszonen. Forudsrettes det, at der i den primrere forbrrendingszone sker en fuldstrendig oxidation af primrerbrrendslet, vii den r~ggas, der ledes ind i reduktionszonen, indeholde C02, H 2 0, 02 og NO, samt evt. aske og 80 2 (figur 12). NOx REDUCTION BUANOUT ZONE REBURNINQ ZONE x.l ~~NJ/" 0 ~NH3... N2 ~ XN+NO--N2+X CH+NO- XN (NH3 + NO+HCN) AIR FUEL PRIMARV ZONE NO, C02 H ASH, S02 Figur 12: Oversigtsskitse af reburningprocessen (McCarthy et al. 1987). De komponenter i r~ggassen, som har st~rst indftydelse på reburningprocessen, er NO og 02. Derudover kunne man forestille sig, at vc:esentlige m<engder af svovlforbindelser og aske kunne påvirke kvrelstofkemien i reduktionszonen, enten ved direkte reaktion med reaktivt kvcelstof eller ved at indvirke på radikalkoncentrationerne. Figur 13 opsummerer data fra en fors~gsrrekke (Chen et al. 1986), hvor en rc:ekke forskellige brrendsler (forskellige kul+ og olietyper, opslemmet kul, propan) blev brugt som prim<erbr<endsel, mens naturgas i alle tilfrelde blev brugt som reburningbrrendsel. For samme opholdstid {de åbne symboler) 19

34 600. Rooa Coal + ~ cw~ IJ Q r.trd l"oor on " ---~''" ~~,4åo~--L råo-"~-aJo- '~" {NO,I P,pr m l<ln. o Figur 13: Betydning af primrerbrrendselfprim<er-no og prim<er opholdstid r 1. Reburningbrrendsel: naturgas. r 1 hhv. 70 msek (lukkede symboler) og 330 msek (åbne symboler). r 2 = 400 msek. Fors~gskedel l. (Chen et al. 1986). korrelerer dataene for de forskellige brrendsler godt. med den fuldt optrukne linje (propan dopet med brrendsels-n). NOprim og dermed den endelige NO-emission stiger med kvrelsto:findholdet i brrendslet. Dataene tyder på, at primcerbramdselstypen har betydning for primrer-no-niveauet, men ikke in rlflydelse på sel ve reburningprocessen. Således har svovlforbindelser og/eller aske i r0ggassen fra den prim:fie forbrrendingszone tilsyneladende ikke vresentlig betydning for NO-reduktionen under disse forhold. I 0vrigt illustrerer figuren, at reburningprocessen er mest effektiv ved h~je N Ox-niveauer; den procentvise reduktion af NO x er proportional med primrer-no-koncentrationen. Den komponent i r0ggassen, der bar st~rst betydning for effektiviteten af reburningprocessen, er ilt. Dtkoncentrationen besternmes af luftoverskudstallet ~l og graden af udbrcending i primcerzonen. Effekten af il t v il vrere forskellig alt efter, om reburningbrrendslet indeholder brrendsels-n eller ej. H vis der anvendes naturgas eller et andet kvrelstoffrit brrendsel som reburningbrrendsel vii der vrere en iltkoncentration, som er optimal for processen. 20

35 Det hffinger sammen med, som diskuteret i sidste afsnit, at en hurtig reduktion af NO til Nz krffiver tilstedev<erelse af en vis mcengde ilt for at kunne finde sted. [NOxj 1N"' 200ppm [CHJIN ~ 1% [COd1N"" 10% [CO)IN = 1% Temperature "" 1400oc HCN = 0.2% NH3 = 0.6~'o in evoluted Gas 1.0! ;;;. x o ~ /CH.[TFN]Ex z f... / ~,,. ' -1.5 ' ~ 1.0 ; _;0.5 Figur 14: Effekt af 0 2 /CH 4 -molforholdet på NO reduktionen ved reburning ved brug af hhv. methan og gas fra kulforgasning som reburningbrcendsel. Data fra flowreaktorfors0g. Indgangskoncentrationer (molbr0ker): N0~200ppm, CH 4 ~!%, CO,~IO% and CO~l%. T2 ~1673K. (Miyam"" et al. 1985). Detteer illustreret på figur 14, som viser data fra flowreaktorfors0g, hvor man har varieret 0 2 /CHrforholdet i reburningzonen. Dataene viser, at der eksisterer et mest effektivt 0 2 JCH 4 -forhold, ved hvilket der er minimum i T F N. Resultaterne viser, at iltindholdet i r0ggassen fra den primcere forbrcendingszone b0r vcere 1-2%, svarende til et luftoverskudstal >. 1 på Dette svarer til erfaringer fra pilotskalafors(6g. Ved hr6jere iltkoncentrationer vii CO vcere favoriseret i forhold th C Hi- 21

36 radikaldannelsen, og reduktionen af NO vil blive formindsket betydeligt. H vis den prima!re forbrrendingszone af andre grunde må. opereres ved h!lljere luftoverskudstal, kan det V<Ete n!lldvendigt at tils<ette reburningbramdslet i to trin for at forhindre, at det hele oxideres til GO inden en v<esentlig CHi-radikaldannelse kan finde sted. H vis reburningbrcendslet indeholder bramdsels-n, såsom f.eks. kul, vil den overskydende ilt medvirke til at oxidere det reaktive kva>lstof fra reburn.ingbrcendslet til NO. På figur 15 er vist effekten af at variere At for forskellige mcengder reburningbrcendsel. Det ses, at jo lavere luftoverskudstallet er i den primcere forbrcendingszone, desto st0rre reduktioner opnå.s i NO:: for samme mcengde reburningbrcendsel ~ 500 > '! '"' "' 300 ~" s I REBURNING F\IEL Figur 15: Betydning af luftoverskudstallet At (SR t) i den primcere forbrcendingszone. Primcerbrcendsel og reburningbrcendsel: kul. NO prim = 650 ppm (O% 0 2 ). Fors0gskedel 2. ( Overmae et al. 1985). Resultaterne viser, at når reburningbrrendslet indeholder kvaelstof, b0r man operere den primrere forbrcendingszone med så. lille et luftoverskud som muligt. Ved at operere zonen med et lavt luftoverskud opnå.r man yderligere, at den maksimale fiammetemperatur 0ges, at reburningopholdstiden 0ges og at den primcere NO-dannelse formindskes. Hensynet til brcenderstabilitet og risikoen for slagging vii i praksis besterorne hvor langt, man kan gå ned i luftoverskudsta! i den prim<ere forbr.endingszone. 22

37 Opholdstiden i den prim::ere forbr::endingszone har i praksis stor in rlflydelse på iltkoncentrationen ved indgangen til reduktionszonen. På. figur 13 ses betydningen af Tt for samme opholdstid i reburningzonen. De lukkede symboler svarer til Tt :;:::: 70 msek (reburningbramdslet tilf0res t::et på. hovedbr::enderen) og de å.bne symboler svarer til Tt = 330 msek. Det ses, at resultaterne for den korte opholdstid er v::esentlig ringere end for lang opholdstid. Dette skyldes, at ved den korte opholdstid når der ikke at ske en ordentlig udbr::ending i prim::erzonen, og der f0res derfor un0dvendig meget ilt ind i den reducerende zone. Chen et al. {1986) måler ved den korte opholdstid iltkoncentrationer på 6-9% ved indgangen til den reducerende zone, hvor de ved kompiet forbr::ending ville have vc:eret nede på 2.1%. H vis opholdstiden i den prim::ere zone således er utilstrc:ekkelig, vii der fortsat ske oxidation af primc:erbrc:endslet under iltrige forhold langt ind i reduktionszonen. I praktiske systerner er det ofte et problem, at der ikke er tilstrc:ekkelig opholdstid til rådighed inden konvektionsdelen. Det kan derfor v<ere fristende at forkorte opholdstiden i den primcere forbrc:endingszone for at opnå en lcengere opholdstid i reduktionszonen. Det ville også medf0re en h0je:re temperatur i reburningzonen, h vad der er fordelagtigt. Imidlertid viser resnitater fra pilotfors0g, at en sådan fremgangsmåde ikke medf0rer en yderligere reduktion af NO. Benyttes naturgas som reburningbrcendsel, fås stort set en uc:endret NO-emission (Overmoe et al. 1985, McCarthy et al. 1987), mens man med reburningbrcendsler, der indeholder brc:endsels-n, risikerer en for0get NO-emission. Det er derfor vigtigt så vidt muligt at undgå zoneoverlap i praktiske forbramdingssystemer. Chen et al. (1986) anbefaler en opholdstid i den primcere forbrc:endingszone på mindst 300 msek. 3.2 Reduktionszonen Forbramdingsforholdene i reduktionszonen er afgll!rende for, hvor store reduktioner i NO-emissionen, der opnås ved brug a.f reburning. Det er vigtigt at optimere forbr::endingsforholdene, så nedbrydningen af N O og dannejsen af N 2 maksimeres. De procesparametre, som man optimerer, er primmrt luftoverskudstalletjmcengden af reburningbrcendsel og opholdstiden. En anden vcesentlig parameter er temperaturen, men den er vanskeligere at regulere, ismr på eksisterende kedler. 23

38 3.2.1 Luftoverskudstal/mamgde af reburningbra:mdsel. Der er lavet en betydelig rcekke pilotforspg for at besterorne det optimale luftoverskudstal, Å2, i reduktionszonen. Resultaterne er ikke entydige, da den optimale v<erdi for Å2 afh<enger af en rcekke procesparametre. Bland t disse er valget af reburningbr<endsel og injektionsmetode, overskydende il t fra den primcere forbr<endingszone og temperaturforboldene. Rebumingbrtfndsler uden brtfndsels~n. For reburningbrrendsler, der ikke indeholder br<endsels-n, villuftoverskuddet fra den prim<ere forbrrendingszone og temperaturen have betydning for hvilket stpkiometrisk forhold, der er optimalt i reduktionszonen. Adsklllige underspgelser tyder imidlertid på, at for forbrrendingsforhold, der vii V<Ere reprresentative for rehurningprocessen på de fleste kedler, dvs. 1.0 :::; Åt :::; 1.1 og T; > 1450 K, villuftoverskudstal i området 0.6,:::; Å2 :::; 0.9 give amtrent samme reduktion j NO. I praksis vil det svare til, at man Vallger Å2 = 0.9 som det optimale. Dette er illustreret på figur 16. Her er underspgt effekten af -\2 på NO x emissionen ved brug af hhv. naturgas og en syntetisk gm som reburningbrrendsel. For luftoverskudstal st0rre end 1.0 opnås kun en beskeden reduktion af NO. I området 0.9 $ A 2 $ 1.0 falder NO-emissionen betydeligt, hvis mamgden af reburningbrrendsel 0ges. For,\ 2 $ 0.9 opnås ingen yderligere reduktioner i NO ved at 0ge tilf0rslen af reburningbr<endsel. Disse resultater er repr<esentative for en r<ekke pilotskalaforspg, hvor kulbrioter har Va'lret brugt som reburningbrcendsel (Chen et al. 1986, Bortz & Otfen 1987, Chen et al. 1988, m.fi. ). Er temperaturen i reduktionszonen lavere, som den ofte vii vcere det j kompakte, kommercielle r0gr0rskedler, vil det optimale luftoverskudstal vrere noget mindre. På figur 17 er vist fors0gsresultater netop fra denne type kedel (Lanier et al. 1986). Her er T 2 " ca. 1400K. Under disse forhold fås den st0rste reduktion i NO for A 2 ~ 0.8. Lignende resnitater refereres af Mechenbier & Kremer (1987) fra en testserie på fors0gskedel5, der ligeledes er kendetegnet ved lavere temperaturer. De finder ved A 2 =0.9 en reduktion i NO på 60%, mens A 2 =0.7 gav en reduktion på 72%. 24

39 , QNat.Ga.s 6 Low B tu Ooen Symbols Sil = 1.1 Closed S}"llbols sal 1.0 ( ) : Reburn Fuel 700 (5) (lo i 0~------~~------~------~ 1.1 LO RESURN lone STOJCHIOMETRY Figur 16: Betydning af luftoverskudstal.let ). 2 i reduktionszonen for bh v. naturgas og syntetisk gas fra kulforgasning. Fors~gskedel 4. (Bortz & Offen 1987). 25

40 100 " ~ao u ~ 70 - ~ z -J 60 so l 11,, l Il l l l l 40 3C so, Figur 17: Betydning af luftoverskudstallet,\ 2 i reduktionszonen ved brug af naturgas som reburningbr<endsel. Data er plottet for fem primcer+noniveauer ved tre vcerdier af >.2 (bencevnt SRr)- r2 = 75 msek. T:;~ 1400K. Fors0gskedel 3. {Lanier et al. 1986). RebumingbrtEndsler med brtendsels-n. På figur 18 ses effekten på NO af variationer i..\2 for en rrekke forskellige brrendsler, bl.a. fire forskellige kultyper. I denne fors0gsr<ekke (Ch en et al. 1986) fandt man, at for reburningbr<endsler, der indeholder betydelige mrengder breendsels-n såsom kul og tung fuelolie, eksisterer der et klart optimum for >. 2 Dette beenger sammen med den balance, der skal findes for at opnå de rette, reducerende forbramdingsforhold samtidig med, at der ikke f0res for store mamgder reaktivt kvcelstof ind i reduktionszonen med reburn.ingbrcendslet. Under de givne procesforhold var det te optimum ens for de afpr0vede brcendsler, nemlig >. 2 =- 0.9, svarende til at reburningbrcendslet udg0r 15~20% af 26

41 OUT AH 0 BEULAH OcoLSTRIP OvALLOURN 6 H2 - "' o Ii' o,. 400 a: o - " o. o. x w - o z 200 ~- 0~~--~--~o---~--~-" ,~,---~---.tö----~----" , 8.2 % HEAT INPUT AS REBURNING FUEL Figur 18: Betydning af luftoverskudstallet >. 2 i reduktionszonen for forskellige bramdsler. Primrerbramdsel: propan. NOprim =- 630 ppm, r 2 = 400 msek, T2 = 1470 K, bajregas for reburningbrrendsel: N2. Fors~>Jgskedel l. (Chen et al. 1986). 27