Controlling emissions of nitrogen oxides from bubbling fluidized bed boilers with selective non-catalytic reduction

Thumbnail Image

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Engineering | Master's thesis
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author

Authors

Date

2012

Department

Energiatekniikan laitos

Major/Subject

Energiatalous ja voimalaitostekniikka

Mcode

Ene-59

Degree programme

Language

en

Pages

80 s. + liitt. 1

Series

Abstract

This master's thesis studies controlling the emissions of nitrogen oxides in bubbling fluidized bed boilers. It concentrates on selective non-catalytic reduction (SNCR) process, where ammonia-based reagent is injected in the furnace to reduce nitric oxide to molecular nitrogen. Due to temperature-sensitivity of the process the primary research objective is to find out the optimal operating conditions and the factors affecting them. Formation of nitrogen oxides in combustion processes is discussed in the first chapter. The second one makes a review of reducing nitrogen oxides in bubbling fluidized bed boilers with primary and secondary methods. Selective non-catalytic reduction, modelling of it and experimental results cover the last chapters. Performance of selective non-catalytic reduction is studied with a developed OptiSNCR calculation tool. It is based on a simplified kinetic model of nitrogen chemistry and an in-house furnace modelling tool. The validation process of the tool was started with experimental measurements. Measurement results of reduction degree agree with calculations with satisfying accuracy. Ammonia slip is overestimated, and it requires further research. The optimal temperature in the furnace for the ammonia injection cannot be exactly defined. According to calculations and experimental measurements in biomass combustion it varies from 850 °C to 950 °C. If the initial emission level or the amount of ammonia is increased, they have a slight increasing effect on optimal injection temperature. Increasing the residence time of flue gas flow in an appropriate temperature window lowers the optimal injection temperature.

Tässä diplomityössä selvitetään typenoksidipäästöjen rajoittamista kuplapetikattiloissa. Työ keskittyy selektiiviseen ei-katalyyttiseen pelkistykseen (SNCR), jossa typpimonoksidi pelkistetään alkuainetypeksi ruiskuttamalla tulipesään ammoniakkipohjaista reagenssia. Prosessin lämpötilariippuvuudesta johtuen työn tärkein tutkimustavoite on löytää menetelmän ihanteelliset käyttöolosuhteet ja niihin vaikuttavia tekijöitä. Ensimmäisessä kappaleessa käsitellään typen oksidien muodostumista. Toisessa kappaleessa käydään läpi typenoksidipäästöjä rajoittavat primääri- ja sekundäärimenetelmät. Viimeiset kappaleet käsittelevät selektiivistä ei-katalyyttista pelkistystä, sen mallintamista sekä kokeellisia tuloksia. SNCR:n suorituskykyä tarkastellaan kehitetyllä OptiSNCR-Iaskentatyökalulla. Se perustuu yksinkertaistettuun typen oksidien kineettiseen laskentamalliin ja yhtiön tulipesämallinnustyökaluun. Työkalulla laskettujen tulosten vahvistaminen aloitettiin kenttämittausten avulla. Mittaustulokset vastaavat reduktioasteen osalta laskelmia tyydyttävällä tarkkuudella. Ammoniakkislipin työkalu yliarvioi ja se vaatii jatkokehitystä. Menetelmän ihanteellista toimintalämpötilaa ei voida yksiselitteisesti määritellä. Laskelmien ja mittaustulosten perusteella se vaihtelee 850 °C ja 950 °C välillä. Korkeampi päästöjen lähtötaso ja ammoniakin määrän lisääminen kasvattavat optimilämpötilaa. Savukaasuvirran viipymäajan kasvattaminen sopivalla lämpötila-alueella alentaa ihanteellista ruiskutuslämpötilaa.

Description

Supervisor

Ahtila, Pekka

Thesis advisor

Rossi, Antti

Keywords

bubbling fluidized bed boiler, kuplapetikattila, nitrogen oxides, typen oksidit, selective non-catalytic reduction, selektiivinen ei-katalyyttinen pelkistys, temperature window, lämpötilaikkuna

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-2020122859087

Collections

[dipl] Insinööritieteiden korkeakoulu / ENG