Operation of selective non-catalytic nitrogen oxides reduction process under fluidized bed conditions

Abstract

The energy sector is a major source of nitrogen oxide emissions. During combustion, nitrogen oxide emissions are formed from atmospheric nitrogen and nitrogen contained in combusted fuel. Nitrogen oxide emissions have significant adverse effects on environment and human health and therefore their reduction is considered important. In boilers, the formation of nitrogen oxides can be reduced by different combustion techniques and methods. However, reduction of nitrogen oxides contained in flue gas is more and more important due to increasingly stringent emission limits.

The main aim of this thesis was to investigate the performance of selective non-catalytic reduction process of nitrogen oxides in a bubbling fluidized bed boiler. The thesis is divided in theoretical and experimental part. The experimental study was carried out in two bubbling fluidized bed boilers that have adopted the process. The operation and performance of the process was tested with different partial loads, injection levels, and fuel mixtures. Several test points were run by variating the amount of reagent injected in furnace and nozzle arrangements. In order to calculate the achieved reduction of nitrogen oxides at each test point, concentration of nitrogen oxides in flue gas without selective non-catalytic reduction method was also measured during test periods.

During test periods, the base level of nitrogen oxides was noted to fluctuate in relation to the boiler load level. The base level was highest at the lowest partial loads which was due to high oxygen content available in furnace. With higher loads, the fluctuation of the base level was also caused by changes in composition of fuel mixture. The effectiveness of selective non-catalytic reduction was mainly tested at injection level correct for the operation load but individual observations under unsuitable conditions could still be made. When the load was too high or low for the operated injection level, a good reduction could not be achieved because flue gas temperature was not optimal for reduction reactions. As a general observation, the effectiveness of the method was improved by increasing the molar ratio between reagent injected in furnace and the base level of nitrogen oxides contained in flue gas. The effectiveness could also be improved by changing new injection nozzles.

Energiasektori on merkittävä typen oksidipäästöjen lähde. Kattiloissa typen oksidipäästöjä muodostuu palamisen aikana ilmakehän typestä sekä poltettavan polttoaineen sisältämästä typestä. Typen oksidipäästöillä on merkittäviä haittavaikutuksia ympäristölle ja terveydelle, minkä vuoksi niiden vähentäminen on tärkeää. Kattiloissa voidaan päästöjen muodostumista vähentää polttoteknisin menetelmin, mutta yhä tiukentuvien päästörajoitusten vuoksi jo muodostuneiden typen oksidien vähentäminen savukaasusta on entistä tärkeämpää.

Tämän työn tavoite oli tutkia savukaasun sisältämien typen oksidien selektiivisen ei-katalyyttisen pelkistämisen tehokkuutta kerrosleijukattilassa. Työ on käytännössä jaettu teoreettiseen ja kokeelliseen osaan. Kokeellinen tutkimus toteutettiin kahdessa kerrosleijukattilassa, jotka ovat ottaneet menetelmän käyttöön. Menetelmän toimintaa ja tehokkuutta testattiin erilaisilla osakuormilla, injektiotasoilla sekä polttoaineseoksilla. Useita testipisteitä ajettiin muuttamalla syötettävän reagenssin määrää sekä suutinjärjestelyitä. Jotta voitiin laskea saavutettu typen oksidien vähennysaste jokaisessa testipisteessä, testijaksoilla mitattiin myös savukaasujen typen oksidipitoisuutta ilman selektiivistä ei-katalyyttistä pelkistysmenetelmää.

Testijaksojen aikana typen oksidien perustason huomattiin vaihtelevan kattilan kuormituksen mukaan. Pienimmillä osakuormilla perustaso oli korkeimillaan, mikä johtui korkeasta happipitoisuudesta tulipesässä. Kuorman noustessa perustason heilahteluun vaikuttivat myös muutokset polttoaineen koostumuksessa. Selektiivien ei-katalyyttisen pelkistyksen tehokkuutta pyrittiin pääosin testaamaan kattilan kuormalle sopivalla injektiotasolla, mutta yksittäisiä havaintoja epäsopivista olosuhteista pystyttiin kuitenkin tekemään. Injektiotasolle liian suurella tai pienellä osakuormalla ei pystytty saavuttamaan hyvää vähennysastetta, koska savukaasun lämpötila ei ollut optimaalinen pelkistysreaktioille. Yleisenä havaintona huomattiin menetelmän tehokkuuden paranevan tulipesään syötettävän reagenssin ja savukaasun typen oksidien perustason välisen moolisuhteen kasvaessa. Tehokkuutta pystyttiin kasvattamaan myös injektiosuuttimien vaihtamisella.