Epsilon Archive for Student Projects

Abstract

Emission of nitrogen oxides as well as carbon monoxides is an inevitable result of combustion. A Swedish law "Law of environmental fee for emissions of nitrogen oxides as a result of energy production" (lagen om miljöavgift på utsläpp av kväveoxider vid energiproduktion (SFS 1990:613)) controls the emission of NOx from energy production by a system of fees. The system has resulted in a strong approach toward less emissions of NOx among the energy production plants. High emission levels, today exceeding 52 mg/MJsupplied fuel, leads to costs for energy production companies. This paper examines possibilities to reduce the emissions of NOx by optimization of the SNCR-technique in a biofuel fired heat and power plant. SNCR (Selective Non Catalytic Reduction) involve supply of an NOx reducing reagent in the furnace.

The project is carried out on a 80 MWt grate fired boiler at ENA Energi AB, Enköping, Sweden. Tests have been worked out to find new strategies for the operation of the SNCR- system.

The project comprised getting acquainted with the plant in Enköping, especially the function and ammonia supply positions of the SNCR-system. Analyses have been focused on periods or loads with high emissions of nitrogen oxides. Tests of the existing ammonia supply positions, of the angle of diffusion and of one new ammonia supply position, have been performed.

The result shows that today's operation is good. However, a good reduction of NOx can also be achieved by using other combinations of the ammonia supply positions then what is used today. Also, the results show that the carrying air is of great importance.

Utsläpp av kväveoxider leder till försurning av mark och vatten samt till övergödning
av omgivande hav genom att kväveoxiderna omvandlas till salpetersyra i atmosfären,
vilken sedan nedfaller i form av nitratjoner och vätejoner lösta i regnvatten. För att
kunna minska utsläppen av kväveoxider(NOx) finns det i Sverige en kväveoxidavgift.
Kväveoxidavgiften innebär att NOx-avgiftsskyldiga anläggningar i Sverige, kan få
tillbaka pengar om andelen utsläppta kväveoxider per producerad MWh är tillräckligt
låg, vilket styrs av marknaden. Detta ger ständiga incitament till minskning av
kväveoxider i Sverige.
För ENA Energi innebär kväveoxidavgiften att minskade utsläpp av NOx kan leda
till minskade kostnader eller till och med ökade intäkter.
I ENA Energis kraftvärmepanna används SNCR-teknik för att minska utsläppen av
NOx. Det innebär att man tillför ammoniak(NH3) och luft in till pannan vilket
reagerar med NOx och bildar kväve(N2) och vatten(H2O).
Det här examensarbetet gick ut på att undersöka möjligheter till att optimera SNCRanläggningen
i ENA Energis kraftvärmepanna, vilket samtidigt innebär att
gränsvärden på CO- och NH3-utsläpp inte får överskridas. Detta genomfördes
genom inventering av SNCR-systemet, litteraturstudier, analys av driftdata och
tidigare utförda mätningar på ENA Energi, erfarenheter från driftpersonal samt
genom några olika tester i SNCR-anläggningen. Några parametrar som speciellt
påverkar NOx är tid, temperatur, turbulens och syrehalt vilka undersöktes speciellt.
Under arbetes gång gjordes tre praktiska tester i SNCR-systemet. Ett provprogram
skapades vilket innebär en systematiskt genomgång av alla de positioner där
ammoniak tillförs till pannan. Det första testet kom sedan att ligga till grund för nästa
test.
Under provprogrammet framkom att den i höjdled översta positionen av
ammoniaktillförsel var den mest effektiva samt att ammoniaktillförsel via ventil
HRK10 ger bättre NOx-reduktion än ventil HRK20.. I övrigt gjorde begränsningar i
repeterbarhet av testresultat att det inte gick att dra definitiva slutsatser av de andra
positionerna. Testresultaten mätt i NOx-reduktion visade sig variera med upp till
16 % vid en och samma last och med samma inställningar på pannan.
Nästa steg fokuserades till den översta positionen för ammoniaktillförsel i pannan
och ett test gjordes genom att tillföra ammoniak ovanifrån från panntoppen.
Bakgrunden till testet var NOx-reduktionen som fungerade dåligt vid höga laster
genom att inverkan från ammoniaktillförseln var begränsad. På grund av de praktiska
förutsättningarna kunde dock inte luft tillföras på panntoppen och testresultaten
visade att betydelsen av bärluft i samband med tillförsel av NH3 vid nya NH3-
tillförselpunkter är avgörande för reduktionen av NOx.
Det sista praktiska testet i SNCR-anläggningen gick ut på undersöka effekterna av en
förändrad sprayeffekt i tillförseln av ammoniak där bakgrunden var att en större
spridningsvinkel hos ammoniaken skulle nå ett större område inne i pannan och
därmed ge en bättre NOx-reduktion. Testresultaten visade att en ändring av
spridningsvinkeln på dysorna(med hjälp av Y-kopplingar) totalt gav sämre resultat på
NOx-reduktionen än med de vanliga dysorna eftersom ökningen i NH3-slipen inte
motsvarades av minskning i NOx-utsläpp.
Temperatur och syrehalten i pannan, är genom de kemiska reaktionerna, avgörande
för NOx-reduktionen. En för kort uppehållstid i pannan leder till ofullständig
förbränning i pannan, vilket resulterar i förutom höga CO-utsläpp och hög askhalt,
minskade möjligheter till god NOx-reduktion. Undersökningarna av parametrarna tid,
temperatur, turbulens och syrehalt, visar att förhållandet mellan verklig NOx- och
syrehalt i pannan överrensstämmer med teorin. I ENA Energis kraftvärmepanna fås
troligen en något kort uppehållstid i pannan vid hög last, vilket är begränsande faktor
för NOx-reduktionen. Stora och återkommande skillnader i temperatur och
gaskoncentrationer vid samma höjdnivå har visat att stråkbildning till följd av för låg
turbulens förekommer i den aktuella kraftvärmepannan.
NOx-reduktionen i ENA Energis kraftvärmepanna, varierar mellan 24 – 66 %. I
litteraturen brukar en SNCR-anläggning kunna ge mellan 40 – 60 % reduktion av
NOx.
Sammanfattningsvis är en kraftvärmepanna är ett komplext system med många olika
parametrar som får stor påverkan på resultatet i form av verkningsgrad och
emissioner. Det gör systemet svåranalyserat. Ett exempel på det är de variationer i
testresultat från mätningar som trots samma förutsättningar har visat skillnader i
mätresultat på upp till 16 %. Generellt har analys och mätningar visat att SNCRanläggningen
idag körs bra, men att det även finns andra kombinationer av körsätt
som vanligtvis inte körs, som ger bra NOx-reduktion.