CFD MODEL SNCR TECHNOLOGIE Tomáš Blejchař Jiří Pecháček, Rostislav Malý

Obsah Úvod do problematiky Metody sekundárního snižování emisí NOx Metodika návrhu a ověření umístění trysek Model SNCR Srovnání výsledků CFD výpočtů s měřením Závěr

Úvod do problematiky OXIDY DUSÍKU – NOX:Hlavní složky jsou NO (90 %) a NO2 (5-10 %) Existují tři hlavní zdroje NOX: 1) Termické – závislí na teplotě 2) Palivové – obsažené v palivu 3) Promptní (rychlé) – vznikají při spalování uhlovodíku

Úvod do problematiky Primární opatření – omezení tvorby NOX Sekundární opatření – odstranění NOX ze spalin Současný limit NOX 650 mg.m-3 Od roku 2008 nová zařízení mají limit NOX < 200 mg.m-3 Od roku 2016 všechna zařízení mají limit NOX < 200 mg.m-3 Při referenčním obsahu 6 % O2 ve spalinách

Úvod do problematiky Sekundární metody Redukce NOX radikály NH2, jejichž zdrojem je Čpavke NH3 nebo Močovina (NH2)2CO Selektivní katalytická redukce SCR, katalyzátor TiO2,V2O5,WO3,SiO2 ca 300-450°C Zeolity (Aluminosilikáty) ca 350-600°C Aktivní uhlí ca 100-220°C

Úvod do problematiky Selektivní nekatalytická redukce SNCR, ca 900-1050°C Reagent NH3 – DeNOX Reagent (NH2)2CO – NOXOUT Reagent (HNCO)3 – RAPRENOX

Úvod do problematiky Selektivní nekatalytická redukce SNCR Amoniak Močovina Kyanomočová kyselina NH3 (NH2)2CO (HCNO)3 NH3 + OH  NH2 + H2O NH3 + HNCO 3 HNCO NH3 + HO2  NH2 + 2OH HNCO + H  NH2 + CO HNCO + OH  NCO + H2O NH2 + NO  N2 + H2O NCO + NO  N2O + CO NH2 + NO2  N2 + 2OH N2O + M  N2+O + M N2O + OH  N2+HO2 NCO + NO  N2 + CO2 N2O + H  N2+OH

Metodika návrhu a ověření umístění trysek Vstupní měření teplotního pole v kotli pomocí prosávacího pyrometru. Veškeré informace o provozu kotle, atd. Případně nástřikové zkoušky. Prvotní návrh umístění trysek. Model spalování CFD - stanovení teplotního pole v kotli, koncentrace CO2, H2O, NO, O2, rychlosti spalin, radiace.

Metodika návrhu a ověření umístění trysek Stanovení teplotního okna z výsledů CFD modelu spalování, první korekce návrhu. Detailní model horní části kotle, (většinou oblast v okolí šotů) se zahrnutím reakcí SNCR, simulace rozstřiku močoviny. Ověření navrhovaného množství vstřikované močoviny, odhad snížení emisí NOX, druhé ověření návrhu.

Metodika návrhu a ověření umístění trysek Zpracování finálního projektu SNCR technologie.

Vstupní měření teplotního pole Pro měření a případný nástřikový test jsou využity stávající prostupy do spalovací komory.

Vstupní měření teplotního pole návrh trysek Navrženy byly dvě patra trysek tak aby co nejlépe pokryly celý průřez kotle při různých výkonech.

Vstupní měření teplotního pole návrh trysek

Stanovení důležitých parametrů pro detailní model zóny vstřikování Model spalování CFD Výsledky CFD modelu Stanovení důležitých parametrů pro detailní model zóny vstřikování Koncentrační pole NO, CO2, O2, N2,H2O Intenzita radiace Teplota Rychlost spalin

Model spalování CFD Srovnání výsledků CFD modelu s výsledky měření Výkon CFD Měření Chyba [%] NO [mg.mN-3] 100 325 327 -0,6 80 305 280 +8,9 60 479 538 +11,0 teplota [°C] kota +16,7 m 920,6 1086,1 -15,2 804,8 1002,4 -19,7 719,1 934,4 -23,0

Model spalování CFD Zobrazení teplotního okna Rozsah teplot pro vstřikování roztoku močoviny 750-1050°C

CFD model SNCR Pro model SNCR byly využity pouze čtyři globální reakce (NH2)2CO + H2O  2NH3 + CO2 Termický rozklad roztoku močoviny Reakce bez O2 4NH3 + 6NO  5N2 + 6H2O Reakce probíhají až od teploty ca750°C 4NH3 + 4NO + O2  4N2 + 6H2O Reakce s O2 4NH3 + 5O2  4NO + 6H2O Nad teplotou 1050°C je tato reakce dominantní

Modelování rozstřiku močoviny Ověřeny byly varianty 100 a 80% výkon. Nejdůležitějším výsledkem výpočtu jsou trajektorie částic močoviny, koncentrace NO a skluz NH3.

Modelování rozstřiku močoviny 100%, Dolní patro 100%, Horní patro

Modelování rozstřiku močoviny Výkon Varianta bez SNCR s SNCR Účinnost snížení NOx Skluz NH3 Koncentrace NO [mg.m N -3], 6% O2, t=0°C % 100% 1 325 143 56 9 2 210 35 75 80% 305 122 60 12 106 65 95 Varianta 2 - horní patro Varianta 1 - dolní patro

Modelování rozstřiku močoviny Varianta Bez SNCR s SNCR Účinnost snížení NOx Skluz NH3 Koncentrace NOx [mg.m N -3], 6% O2, t=0°C % 1 Spodní patro Výkon 100% CFD 325 143 56 9 Test 376 136 63 neměřen Výkon 80% 305 122 60 12 324 58 2 Horní patro 106 62 95 338 125

Závěr Snižování emisí NOX je v současnosti intenzivně řešené téma. Sekundární metoda je v tomto ohledu finančně nenáročná a nevyžaduje velké zásahy do zařízení kotle. Metoda SNCR založená na vstřikování močoviny je z hlediska bezpečnosti a nákladnosti provozu nejvhodnější

Závěr Moderní metody založené na výpočtech metodou konečných objemů CFD jsou velice silné nástroje při projekčních pracích. CFD model spalování je možné použít jako zdroj informací, které jsou nezbytné pro detailní modelování v oblasti vstřikování reagentu.

Závěr CFD model SNCR má dobrou shodu s realitou, i když bude nezbytné další testování na jiných zařízeních. Výpočty budou pokračovat po realizaci díla. Model SNCR bude následně verifikován i s ohledem na skluz NH3. Dále bude nezbytné provést výpočty i pro jiná zařízení, aby bylo možné ověřit všeobecnou platnost modelu.

DĚKUJI ZA POZORNOST