Reducerea emisiilor de oxid de azot

Reducerea emisiilor de oxid de azot

1 Masuri primare pentru diminuarea producerii NO_x

Reducerea prin organizarea arderii in trepte

Pentru a impiedica conversia azotului din carbune in NO trebuie promovata o volatilizare rapida si intensa a compusilor cu azot, intr-o atmosfera redusa, asfel incat sa favorizeze conversia acestor compusi in azot molecular si nu in NO. In masura in care in flacarile de carbune pulverizat volatilizarea are loc foarte aproape de arzator, intr-o zona unde amestecul aer-carbune poate fi controlata, este posibil de conceput un arzator care permite apropierea de tipul ideal de ardere definita mai sus. Modul cel mai curent de realizare a acestui tip de ardere consta in utilizarea unui arzator cu ardere etajata in care aerul de combustie este divizat in doua fractiuni: una alimenteaza zona primara a flacarii, aflata in lipsa de aer, in timp ce cealalta completeaza combustia din coada flacarii. In fig. 5 sunt prezentate schematic doua posibilitati practice, printre altele, ce realizeaza acest tip de ardere etajata

arzatorul cu etajare externa a aerului: aerul tertiar (asigurand postarderea) este injectat prin orificii situate la periferia arzatorului principal;

arzatorul cu etajare interna: aerul secundar si aerul tertiar se injecteaza in jurul amestecului aer primar-carbune prin conducte separate permitand controlarea (si intarzierea) amestecarii dintre carbune si aer.

Fig. 5. Etajarea aerului la nivel de arzator.

Aplicarea combustiei etajate permite o reducere importanta a emisiei de NO_x, in timp ce o combustie cu un exces mic de aer permite deopotriva diminuarea concentratiei de NO_x, cu sau fara etajarea aerului comburant.

O alta posibilitate practica ce realizeaza arderea in trepte este arzatorul cu etajarea combinata a aerului si combustibilului. Etajarea combustibilului intarzie consumarea combustibilului si conduce in plus la formarea radicalilor CH_i care forteaza reducerea NO la HCN.

Arzatoarele de tip fanta sunt folosite la cazanele pe carbune de puteri mari si foarte mari. Ele se compun din mai multe blocuri etajate, dispuse in colturile focarului sau pe peretii laterali ai acestuia. Directia jeturilor de combustibil si de aer se alege tangenta la un cerc imaginar, cu centrul in axa verticala a focarului (fig. 6). La focarele tangentiale, jeturile de combustibil si cele de aer sunt paralele, ceea ce duce la o amestecare si ardere lenta. Aceasta situatie favorizeaza realizarea unei atmosfere reducatoare in zona de langa arzator, de ardere a volatilelor, cu franarea formarii de NO_x.

Franarea formarii de NO_x se poate obtine si prin realizarea in zona de ardere a unui amestec carburant bogat, folosind urmatoarele cai:

folosirea sistemului Over fire air (aer deasupra zonei de ardere), care consta in introducerea in zona arzatoarelor a 80% din cantitatea totala de aer, restul (aerul superior) fiind insuflat deasupra zonei arzatoarelor, asfel incat la parasirea focarului λ_f 1,05, pentru a contribui la definitivarea arderii. Arzatoarele functioneaza in conditii substoechiometrice si se franeaza astfel formarea NO_x;

blocarea unor guri de aer secundar, situate imediat deasupra si sub gurile de insuflare a amestecului aer primar si praf de carbune, ceea ce are ca efect intarzierea formarii amestecului carburant;

dirijarea jetului de aer secundar in afara sferei de foc, unghiul dintre directiile celor doua jeturi fiind in jur de (17 7,5)^o. Aceasta duce si la minimizarea efectului de coroziune si depunere de zgura pe peretii focarului.

Fig. 6. Schema unui focar cu arzatoare tip fanta.

In fig. 7 sunt prezentate variantele metodei de organizare a arderii in trepte la nivelul focarului cu arzatoare turbionare de carbune praf:

a) metoda Over fire air (OFA). Arzatoarele principale functioneaza in conditii substoechiometrice ceea ce franeaza formarea de NO_x;

b) metoda Burners out of service care consta in scoaterea din functiune a unor arzatoare sau modificarea regimului lor de functionare, adica functionarea arzatoarelor de la baza focarului cu deficit de aer, iar a celor montate la nivel superior, cu exces de aer;

c) metoda In furnace NO_x-reduction (reducerea NO_x in spatiul de ardere). Aceasta metoda consta din montarea, la partea inferioara a focarului, de arzatoare cu emisii reduse de NO_x (low NO_x burners), iar deasupra acestora, de arzatoare de pacura sau gaze naturale. Se creaza astfel: o zona principala de ardere, in care λ>1 si continutul de NO_x si nearse este ridicat; o zona reducatoare (λ<1), in care compusi ca NH_i, HCN si CO, formati prin arderea substoechiometrica a hidrocarburilor, contribuie la reducerea NO_x si o zona de definitivare a arderii, in care aerul introdus duce la reducerea nearselor. Modalitati de materializare ale acestei metode sunt schitate in fig. 7. d)-Gas co-firing; e)-Standard gas reburning; f)-Closed-coupled gas reburning.

Fig. 7. Organizarea arderii in trepte la nivelul focarului.

2Masuri secundare de reducerea emisiei de No_x

Reducerea selectiva catalitica

In procedeul de reducere selectiv catalitica, oxizii de azot (NO, NO₂) sunt redusi in azot (N₂) si apa (H₂O), de amoniacul (NH₃) injectat in gazele de ardere, in prezenta unui catalizator conform reactiilor:

Pozitionarea reactorului catalitic

Reactorul catalitic poate fi amplasat imediat dupa economizor-configuratie High Dust (HD) (fig. 8.a), dupa electrofiltru-configuratie Low Dust (LD) (fig. 8.b), sau dupa instalatia de desulfurare-configuratie Tail End (TE) (fig. 8.c).

Configuratia HD este cea mai utilizata, deoarece temperatura gazelor de ardere aflate intre economizor si preincalzitorul de aer corespunde celei de functionare a catalizatorilor comerciali ((300-400)⁰C) si pentru ca electrofiltrul functioneaza cel mai bine cu gaze de ardere reci. Catalizatorii folositi trebuie sa prezinte o sectiune de trecere suficient de mare pentru a se evita infundarea cu cenusa si pentru reducerea fenomenului de eroziune. Pentru a minimiza efectul de murdarire a catalizatorului, inaintea reactorului se prevede un separator grosier de cenusa, iar intre straturile catalizatorului se dispun suflatoare de funingine. La acest sistem scaparile de amoniac trebuie sa aiba un nivel foarte scazut iar oxidarea SO₂ in SO₃ sa fie minima pentru prevenirea fenomenului de otravire a catalizatorului si a formarii de depozite de sulfat de amoniu in partile reci ale instalatiei (preincalzitor de aer). Configuratia HD necesita un reactor de dimensiuni mai mici, dar racirea gazelor de ardere la iesirea din cazan este astfel mult limitata.

In configuratia LD se utilizeaza un electrofiltru pentru gaze fierbinti si catalizatori cu sectiune de trecere mai mica.

In configuratia TE gazele de ardere intra in reactor lipsite de cenusa, de eventuali otravitori ai catalizatorului continuti in cenusa (cum ar fi arsenic) si de So_x. Ca urmare se folosesc catalizatori cu sectiune de trecere redusa si cu compozitie chimica diferita (continut de vanadiu mai ridicat).

Configuratiile Ld si TE inlatura orice influenta a functionarii reactorului asupra preincalzitorului de aer, dar este necesara reincalzirea gazelor de ardere pentru ajustarea temperaturii cerute de catalizator. Aceste configuratii pot fi adaptate cu usurinta la cazanele existente, efortul de realizare fiind minim.

Fig. 8. Pozitionarea reactorului catalitic.

Catalizatori de No_x -SCR

Catalizatorul este "inima" sistemului SCR si costurile datorate schimbarii acestuia reprezinta cea mai mare parte din costurile de intretinere si exploatare a instalatiei. Experienta din Japonia si Germania arata ca viata catalizatorului este de peste cinci ani si poate fi marita la peste zece ani.

Catalizatorii pe baza de oxizi metalici contin un oxid sau un amestec de oxizi ai unor metale tranzitionale, depusi pe suporti de oxizi refractari, cum ar fi dioxid de siliciu, dioxid de zirconiu, dioxid de titan. Cei mai folositi oxizi sunt cei de titan (TiO₂), vanadiu (V₂O₅), wolfram (WO₃) si molibden (MoO₃) datorita activitatii catalitice si rezistentei ridicate la otravire cu compusi cu sulf.

Alta categorie de catalizatori sunt zeolitii depusi pe suport de alumina sau silice. Zeolitii sunt alumosilicati naturali sau sintetici. Structura porilor, valoarea mare a suprafetei specifice interne (400-800) m²/g si stabilitatea termica buna au determinat utilizarea zeolitilor drept catalizatori. Proprietatile de site moleculare ale zeolitilor se datoreaza faptului ca suprafata interna a acestora este accesibila numai moleculelor cu diametrul mai mic decat cel al ferestrelor cavitatilor. Cationii din zeoliti joaca rolul de "santinele", deoarece diametrul efectiv al porilor depinde si de natura acestor cationi. Pentru a controla marimea si structura canalelor, in decursul sintezei zeolitilor se inlocuiesc cationii alcalini cu cationi de tipul H⁺, Fe²⁺, Cu²⁺ care sunt inlaturati prin tratamente ulterioare, formand o structura poroasa deschisa.

Natura, continutul de componente active si caracteristicile morfologice ale suportului determina activitatea catalizatorului privind reactia de reducere a No_x si reactia de oxidare a SO₂ in SO₃.Un continut mai mare de componente active determina o eficienta de reducere a No_x mai mare, dar si o oxidare intr-o masura mai mare a SO₂ in SO₃. in reactia de reducere a No_x, catalizatorii pe baza de WO₃ sau MoO₃ sunt mai putin activi decat cei pe baza de V₂O₅ si oxideaza in masura mai mica SO₂ in SO₃. Catalizatorii cei mai utilizati contin toti cei trei oxizi Wo₃ (sau MoO₃), V₂O₅, TiO₂ combinand activitatea ridicata in reactia de reducere a NO_x cu activitatea scazuta in reactia de oxidare a SO₂ in SO₃.

Sistemele SCR sunt reactoare cu pat fix care au avantajul unei suprafete a catalizatorului, expusa fluxului de gaze, mult marita.

Dimensiunile canalelor si distanta dintre placi variaza intre 6 si 16 mm cand gazele contin cenusa si intre 3 si 10 mm cand gazele sunt curate, ele determinand suprafata specifica a catalizatorilor. Valorile uzuale ale suprafetei specifice sunt intre 400 si 500 m²/m³.

Eficienta de reducere a No_x este maxima cand raportul molar NH₃/No_x este egal cu 1 si cand temperatura de reactie este cuprinsa intre 300 si 400⁰C. Pentru a se evita pierderile de amoniac, in practica se utilizeaza un raport molar NH₃/No_x de aproximativ 0,8, obtinandu-se un randament de reducere a NO_x  η = 90%.

Asta inseamna ca:

→

Consideram ca gazele de ardere contin un amestec de oxizi de azot (notat NO_X) format din circa 95% monoxid de azot (NO) si restul dioxid de azot (NO₂).

Deci pentru Q_NO=0,95 Q_NOx [kg NO/s] va fi necesar un debit de NH₃ egal cu:

[kg/s]

18,908 kg/s

kg/s

Emisia de NO_x in atmosfera va fi:

18,908 kg/s

kg/s