NO X EMISSZIÓ CSÖKKENTÉSE HAGYOMÁNYOS MÓDSZEREKKEL

Átírás

1 NO X EMISSZIÓ CSÖKKENTÉSE HAGYOMÁNYOS MÓDSZEREKKEL Dr. Bíró Attila A mőszaki tudományok doktora Professor emerius Miskolci Egyetem, Tüzeléstani és HıenergiaTanszék tuzbiro@gold.uni-miskolc.hu 1. Bevezetés Címszavak: kemencék, földgáz, NO x, emisszió számítás A földgáztüzeléső ipari kemencék NO x emissziója a legjelentısebb légköri környezetszennyezés az egyébként legtisztább ipari tüzelıanyagnak tekintett földgáz eltüzelésénél. A nyolcvanas években tisztázták az NO x képzıdésének feltételeit és az azt befolyásoló tényezıket. Elfogadott megállapítások, hogy: az NO x emisszió nagysága a lánghımérséklet maximumától függ, az NO x a láng végén, annak legmelegebb szakaszában képzıdik, az NO x emisszió csökkentésére azok a módszerek alkalmasak, melyek csökkentik a lánghımérséklet maximumát anélkül, hogy a kemence rendeltetésszerő mőködését károsan befolyásolnák. A kemence rendeltetés szerinti mőködését nem befolyásoló módszerek: 1./ a tüzelıanyag és égési levegı lassú (többfokozatú) keverése, 2./ a füstgáz természetes cirkulációjának növelése az égéstérben és 3./ a füstgáz kényszer-cirkuláltatása, (bekeverése az égési levegıbe). A nem-vasfémek kezelésére szolgáló kemencéknél és a kazánoknál a víz (vízgız) bekeverése az égési keverékbe is használható megoldás. Elınye, hogy a CO emissziót is csökkenti, hátránya, hogy rontja a kemence (kazán) hatásfokát, mert a füstgázba kerülı vízgızt is fel kell melegíteni. 1

2 A Miskolci Egyetem Tüzeléstani Tanszéke az OTKA T számú OTKA kutatás keretében keresi azokat a megoldásokat, melyek lehetıvé tennék egy új kemence, vagy a meglévı kemencék káros-anyag emissziójának számítógépes optimalizálását. Az 2004-es ETE-TÜKI konferencián elhangzott elıadásomban [1] már ismertettem a téma célkitőzéseit és azt, hogy az NO x -CO-C emisszió együttes értékének minimalizálására folytatott kutatásunkat az izzító és hıkezelı kemencék hımérsékleti viszonyainál (T= K) tervezzük. Ezért a kemencék áramlási viszonyainak figyelembevételénél a TÜKI hıdrótos módszerrel végzett áramlástani térképeibıl [2, 3,4] indulunk ki. A célul kitőzött szoftver létrehozásához a lánghımérsékletet befolyásoló valamennyi tényezıt figyelembe kell vennünk, hogy a bonyolult folyamatokat ipari hasznosításra alkalmas pontossággal leírhassuk. Emiatt az alábbi tényezıket együttesen kell kezelnünk: 1./ a tüzelıanyag (földgáz) összetétele, %; 2./ az égés levegıtényezıje, 1; 3./ a füstgáz összetétele, %; 4./ a füstgáz hıkapacitása, kj/kg,k; 5./ a kemencetér formája, 1, m 2, m 3 ; 6./ a fajlagos hıterhelés, MJ/m 3,h; 7./ a betétanyag tömege, kg, 8./ a betét hıkapacitása, kj/kg,k; 9./ a betét berakási és kiszedési hımérséklete, K; 10./ a betét elhelyezése a fenéken, 1; 11./ a betét formája, 1; 12./ adagtartam, h; 13./ munkatér hımérsékletváltozás, K/h; 14./ a betét főtési görbéje, K/h; 15./ égık impulzusereje, N; 16./ égık perdület- (irány-) paramétere, η; 15./ elméleti füstgázhımérséklet maximum, K; 16./ gyakorlati füstgázhımérséklet maximum, K; 17./ pirometrikus hatásfok, η, 2

3 18./ gáz hımérséklete, K; 19./ égési levegı hımérséklete, K, 20./ Arrhenius egyenletek megoldásai NO ra és CO-ra a munkatér hımérsékletnél; 21./ levegıtényezı (1) változtatásának hatása NO x -ra, %; 22./ levegı CO 2 tartalom növelésének (%), hatása NO x -ra, %; 23./ levegı víztartalom (g/m 3 ), növelés hatása NO x -ra, %; 24./ kétfokozatú levegı bevezetés hatása NO x -ra, %. Az adatok és egyenletek, melyek az emisszió leírására szolgálnak az alábbi hatféle forrásból származtathatók: a./ Az üzemi adottságtól függenek: 1,2,3,6,7,9,11,12, b./ modellkísérleteken alapulnak: 5,10, c./ fél-üzemi kísérletek [4,5,6,7,8] eredményei: 21,22,23,24, d./ FLUENT programmal számíthatók: 12,13,14, e./ adott elméleti számításokkal meghatározhatók: 4,8,13,15,16,19,20, f./ vegyes módszerrel közelíthetıek: 16, Az égéssel kapcsolatos hatások Az NO x és CO képzıdést befolyásoló tényezıket a program felépítéséhez három csoportba osztjuk: 1./ A tüzelıanyag összetételétıl és entalpiájától, és az égetés feltételeitıl függı tényezık befolyása a lánghımérsékletre, az elméleti lánghımérséklet-maximum számítása. 2./ Az égı szerkezetétıl és az égéstértıl (kemencetér formája, mérete, falazata, égı(k) helye, betét tömege, méretei, hıkapacitása) függı változás a lánghımérséklet-maximumban. (Gyakorlati lánghımérséklet maximum, K, a pirometrikus határfok (η) számítása.) 3./ A kemence alap-emissziójának (NO x, CO) számítása és az NO x csökkentı beavatkozások által elérhetı emisszió csökkenés, (Levegıtényezı növelés, füstgáz cirkuláltatás, vízbepermetezés, többfokozatú égés vagy lángnélküli égés). 3

4 A programot úgy építjük fel, hogy a fenti három számítási csoport egy-egy programlapra kerüljön. A megoldást a már elkészült elsı programlap bemutatásával szemléltetem: 3. Elsı programlap, a tüzelıanyag és az égetés feltételeinek hatása A program felépítését az 1. ábra szemlélteti. 1. ábra A program elsı oldala képernyın A program ablakaiba be kell írnunk azokat az adatokat, melyek az üzemi energiarendszert jellemzik. Ezek a felsı sarokból és balról jobbra indulva az alábbiak: 4

5 1. Levegıtényezı: Földgáztüzelésnél a legjobb hatásfok elérése általában 1,05 levegıtényezıvel lehetséges (izzítókemencéknél ez ad elfogadható revésedési és decarbonizációs értéket). 2. Elégetett gáz térfogata: Kézi számításnál általában 1 m 3 gázra végezzük el az égéselméleti számításokat. Ez a program lehetıvé teszi az üzemi fogyasztásra végzett számításokat is, aminek elınye, hogy a szükséges levegı térfogatáramot a kemence üzemi viszonyaihoz kapjuk meg. 3. Főtıgáz-összetétel: A program földgáztüzeléshez készült, mert a fél-üzemi kísérleteket a korábbi OTKA munkák keretében csak kj/m 3 főtıértékő földgázzal végeztük el. Ide írjuk be a gázszolgáltatótól kapott földgázösszetételt. Ezután a lap alsó sarkában található Számolás gombra kattintva a program kiszámítja az alábbiakat: Füstgázösszetétel és térfogat (jobbra fent). A keletkezett füstgázkomponensek hıkapacitásai (jobbra középen). A főtıgáz komponensek hıkapcitásai (jobbra alul). Az elméleti levegıszükségletet, m 3 /h (balra középen). A gyakorlati levegıszükségletet, m 3 /h (balra középen. 4. Ha nem hideg gázzal és levegıvel üzemeltetjük a kemencét, be kell írnunk a gáz és a levegı hımérsékletét, mivel azok elımelegítése növeli a lánghımérsékletet: A tüzelıanyag hımérséklete, K (balra, alsó harmad). Az égési levegı hımérséklete, K (balra, alsó harmad). Ismét a számítás gombra kattintva megkapjuk az elméleti lánghımérsékletet. Ha a pirometrikus hatásfokot meg tudjuk becsülni és beírjuk a következı sorban lévı ablakba, a program számítja a gyakorlati lánghımérsékletet, az alsó sorban kiírt égési-levegı hıkapacitásnál (kj/m 3,K). 5

6 Ha a programot angol nyelven kívánjuk használni, kattintsunk a bal alsó sarokban lévı English gombra. A program feliratai angol nyelvőre változnak. 4. Összefoglalás A kutatási eredmények megítélésénél mind fontosabb szerepet játszik azok feldolgozási módja. Ma már nem elég egy új tudományos eredmény leközlése egy tudományos folyóiratban, mert a tapasztalatok azt mutatják, hogy az ilyen kutatások eredményei csak a legszőkebb kutatói körökhöz jutnak el és a gyakorlat számára nagy valószínőséggel elvesznek. A kutató feladata, hogy gondolatait és eredményeit úgy fogalmazza meg és tegye közzé, hogy azok speciális ismeretek nélkül is megérthetıek és használhatóak legyenek a szakma kutatói és alkotó mérnökei számára. Ez a részbeszámoló azt a módszert mutatja be, amivel befejezünk egy tizenöt éves kutatási folyamatot, és használhatóvá tesszük a szakma számára. Köszönetemet és elismerésemet fejezem ki Dr. Palotás Árpád Bence tanszékvezetınek a CO és C rész kutatásával, PhD Braun Gábor kohómérnöknek a program írásával és Gyulai László gépészmérnök PhD diáknak a FLUENT számítások elvégzésével nyújtott közremőködésükért. 5. Irodalomjegyzék: 1. Dr. Bíró Attila: Szempontok ipari kemencék gázemissziójának kutatásához 39. TÜKI Ipari Szeminárium anyaga, (CD), Dunaújváros, Dr. Diószeghy D. A diósgyıri felsıtüzeléső mélykemencék áramlási Bíró A: viszonyainak vizsgálata. Zj. KGM. Hıtechnikai Kutatóállomás, Miskolc, Dr. Bíró A: Mélykemencék áramlási térképei. TÜKI, Miskolc, Dr. Bíró A: Tolókemencék áramlási térképei. TÜKI, Miskolc,

7 5. Bíró A: Reduction of NO x emission from natural gas fired industrial furnaces. Acta Technical Acad. Sci. Hung. 105 (1993) pp Bíró, A: Einfluss des Brennertyps auf die Strömungsferhältnisse und Konvektiven Wärmeübergang von Öfen. GWI. 1, Dr. Bíró A.+Al. NO x emisszió csökkentése C. hımérséklető földgáztüzeléső kemencetereknél. (Decreasing of NO x emission from natural gas fired furnaces at C. heart temperature. Zj. OTKA T ME. Miskolc. Hungary