Development of selective non-catalytic reduction modeling for fluidized bed combustion

Abstract

Energy production is a significant source for nitrogen oxide emissions. Nitrogen oxides have numerous negative effects on human health and environment which is why reducing the emissions of nitrogen oxides is important. The nitrogen oxide emissions from fluidized bed combustion are relatively low due to low combustion temperature. While the emission regulations keep tightening up, the importance of nitrogen oxide reduction technologies is increasing for the fluidized combustion as well. The main aim of this thesis was to develop selective non-catalytic reduction modeling of nitrogen oxides for a bubbling fluidized bed boiler. Chemical reaction mechanisms are known but information about the characteristics of reagent injections vary substantially depending on the nozzle that is used for reagent injection. The properties of these injection nozzles have a great impact on reagent mixing in a furnace and therefore to the reduction of nitrogen oxides. The characteristics of eight different pressure nozzles were examined with a focus on droplet size distributions and opening angles. The nozzles may be used to inject reagent in fluidized bed boilers. One of the examined nozzles is used for reagent injection in the target boiler. The computational fluid dynamic model of this boiler was used as foundation for the modeling problem. The operation of Flat-fan atomizer was studied in a separate computational fluid dynamics simulation to determine its suitability for modeling solid stream nozzles. Once the suitability of the Flat-fan atomizer was confirmed it was used for the modeling of reagent injections in the target boiler. A base level of nitrogen monoxide was modeled based on the measurements carried out earlier to the target boiler. Chemical reaction mechanisms were implemented into the model and the reduction of nitrogen monoxide was simulated. The simulated value corresponded decently to the measured value. However, simulated ammonia slip value was significantly higher than the measured value. The reaction rates were calculated with Finite-rate/Eddy dissipation model which calculates both the Eddy dissipation and Arrhenius reaction rates. The model uses a smaller reaction rate of these two as a net reaction rate. Therefore, using Finite-rate/Eddy dissipation model may give inaccurate results since the reaction mechanisms for nitrogen oxide reduction are governed by chemical kinetics. The modeled reactions were totally or partly controlled by the chemical kinetics. Moreover, some reactions were more governed by the Eddy dissipation rate.

Merkittävä osa typen oksidipäästöistä on seurausta energiantuotannosta. Typen oksideilla on monia haittavaikutuksia ympäristölle ja terveydelle, minkä takia niiden muodostumista on tärkeää hillitä. Leijupolton typen oksidipäästöt ovat suhteellisen alhaisia matalasta palamislämpötilasta johtuen. Päästörajojen edelleen tiukentuessa typen oksidien päästövähennystekniikoiden merkitys jatkaa kasvuaan myös leijupolton osalta. Tämän työn tavoitteena oli kehittää typen oksidien selektiivisen ei-katalyyttisen pelkistyksen mallinnusta kerrosleijukattilassa. Mallinnukseen liittyvät kemialliset reaktiomekanismit ovat yleisesti tunnettuja, mutta reagenssin suihkutukseen käytettävien suuttimien ominaisuudet vaihtelevat käytetyn suuttimen mukaan. Käytetty suutintyyppi vaikuttaa reagenssin sekoittumiseen kattilassa ja sitä kautta saavutettavaan typen oksidien vähennysasteeseen. Työssä tutkittiin kokeellisesti kahdeksaa erilaista painehajotteista suutinta, joita voidaan käyttää reagenssin suihkutukseen leijukattiloissa. Tutkituista suuttimista yhtä käytetään reagenssin suihkutukseen referenssikattilassa, jonka virtausmalliin typen oksidien selektiivinen ei-katalyyttinen pelkistys mallinnettiin. Mallinnuksen kannalta tärkeimmät tutkittavat suureet olivat pisarakokojakauma sekä avautumiskulma. Menetelmässä tutkittiin Flat-fan atomizerin soveltuvuutta pistemäisen suihkun mallintamiseen. Flat-fan atomizerin todettiin soveltuvan pistemäisen suihkun mallintamiseen, jonka jälkeen sitä käytettiin reagenssisuihkujen mallintamisessa referenssikattilan virtausmalliin. Referenssikattilan virtausmalliin muodostettiin typpimonoksidin perustaso referenssikattilaan aiemmin tehdyn mittauskampanjan tulosten perusteella. Virtausmalliin liitettiin kemialliset reaktiomekanismit, ja typpimonoksidin vähennysaste mallinnettiin. Mallinnetun typpimonoksidin vähennysaste vastasi kelvollisesti mitattua vähennysastetta. Sen sijaan mallinnettu ammoniakkipäästö oli moninkertainen mittaustuloksiin verrattuna. Reaktionopeudet laskettiin Finite-rate/Eddy dissipation mallilla, joka laskee Eddy dissipationin sekä Arrheniuksen yhtälön mukaiset reaktionopeudet ja käyttää reaktionopeutena näistä pienempää. Täten Finite-rate/Eddy dissipation mallin käyttäminen voi antaa vääriä tuloksia, sillä typen oksidien selektiiviset ei-katalyyttiset pelkistysreaktiot ovat kinetiikan hallitsemia. Mallinnetut reaktiot olivat osittain tai kokonaan kinetiikan hallitsemia, mutta osassa reaktioita Eddy dissipationin hallitsema reaktionopeus oli hallitsevampi.