Ipari kemencék CO emissziója

Átírás

1 Iari kemencék CO emissziója Bíró Attila, Palotás Árád Bence Miskolci Egyetem Tüzeléstani és Hıenergia Tanszék Iari kemencéknél a nitrogénoxid kibocsátás mellett fontos kérdés a szénmonoxid emisszió kérdése. Az alábbiakban bemutatjuk a CO emisszió elméleti számításának egyensúlyi állaot kialakulását feltételezı egyszerősített menetét, majd kísérleti eredményeket közlünk valós kemencén történı mérés adatai alaján. CO emisszió egyszerősített számítása A CO bomlási reakciója: CO = CO + 0,5 H O (1) A reakció sebességét számszerősítı reakcióállandó: ahol K i, CO CO 1/ O CO =, () az i komonens arciális nyomása, mely számítható az i komonens koncentrációjából és az össznyomásból. i [ i] össz = () A kemence térnyomása a normál légköri nyomáshoz kéest általában elhanyagolható, ezért össznyomásként vehetjük a normál atmoszférikus nyomást, ami Pa C hımérséklettartományban a CO bomlásának reakcióállandója a következıké számítható [1]: ahol lg T K CO 14700, = 4,505, (3) T a hımérséklet K-ben. 1

2 (1) és (3) felhasználásával az ismert O és CO koncentrációkból számítható a keresett CO koncentráció: CO K =, (4), CO CO 1/ O [ CO] 10 = ,505 T össz [ CO ] [ O ] (5) Példaként a szerzık által fejlesztett NOx_v.3.1 szoftver alaértelmezett tüzelıanyag összetételéhez (9% CH 4,,5% H, 1,5% CO, 1,3% CO,,7% N ) és az alaértelmezett beállításokhoz (5% levegı felesleg) tartozó adatokkal a számunkra fontos két füstgázkomonens [3]: [CO ] = 9, % [O ] = 0,905 % T = 1673 K (1400 C) hımérsékleten tehát: [ CO] = ,505 4,505 T össz [ CO ] [ O ] 10 = 9, = 0,16 m (6) ,905 Ez az érték gyakorlatilag nulla, ami egyensúlyi állaotban, O jelenlétében nem túl megleı. A arciális nyomások helyett az ismert koncentrációkból is számítható a reakcióállandó: K CO [ CO] [ O ] [ ] 1/ = (7) CO A reakcióállandó kifejezhetı Arrhenius egyenlet alakjában is: ahol E R T K = A T b e, (8) R =8,314 J/mol K, az egyetemes gázállandó

3 T a hımérséklet K-ben A konstansok értéke szakirodalmi adatok alaján []: A =, cm 3 /mol s b = 0 E = 10 5 J/mol A fenti adatokat a (7) és (8) egyenletekbe behelyettesítve a (6) eredményhez hasonlóan gyakorlatilag elhanyagolható CO emissziót kaunk. Az eredménynek az a magyarázata, hogy a fenti egyszerősített számítás nem veszi figyelembe az áramlástani, keveredési viszonyokat, ugyanakkor egyensúlyi állaotot feltételez. Oxigén felesleg esetén tehát ezzel a módszerrel CO emisszió nem számítható. Amennyiben a valós viszonyokat jobban leíró számításokra van szükség, nem kerülhetı meg a részletes kémiai kinetikai és áramlástani (CFD) modellek és szimulációs szoftverek alkalmazása. Lángnélküli égés hatásai A lángnélküli égés olyan tüzelési rendszer, ahol a tüzelıanyag és a levegı összekeverési sebességét annyira lelassítják, hogy kis lánghımérséklet maximumot tarthassanak a kemence munkaterében. Ez úgy valósítható meg, ha az égési hıfelszabadulás a kemencetér minden ontjában csak kevéssel haladja meg az égéstermékek által sugárzással és konvektív úton leadott hıt. Az elızıekben láttuk, hogy T = K. hımérséklető kemenceterekben, n=1,05 levegıtényezıvel való tüzelés esetén, egyensúlyi állaotban, a távozó füstgázban csak nyomokba várható CO jelenléte. A lassú keverés azonban rontja az égési feltételeket, ami a kemencetérben olyan zónák megjelenését okozza, melyekben az égés nem tökéletes és helyi oxigénhiány lé fel. Ha ezek a zónák elérik a füstgázkiléés helyét, a kemence CO emissziója jelentısen túlléheti a megengedett 100 mv határértéket. A Tüzeléstechnikai Kutató Intézetben kifejlesztett (196-ben szabadalmaztatott, 1963-tól a Kohászati Gyáréítı Vállalat által éített) és az 1-3 ábrákon bemutatott, kereszttüzeléső tolókemence éldája jól szemlélteti ezt a jelenséget A kemence kétrétegő gázatmoszférával mőködik. A betét felületét a kemence hossztengelyével árhuzamosan áramló, levegıhiánnyal elégetett gáz védi az oxidálódástól, míg az elliszis keresztmetszető munkatér falai mentén, keresztirányban tökéletes égéssel elıállított, nagyhımérséklető gázok forognak és távoznak az oldalfalakon kialakított füstcsatorna nyílásokon át. A kemencében elkülönül a redukáló hatású, és a betét által vezetett védıgáz és a körülötte, a centrifugális erı miatt a falra taadva forgó védıgáz. A védıgáz elemzése azt mutatta, hogy a kemence végén a védıgáz nemcsak 1 % CO-t, hanem 30 g/m 3 kormot is tartalmazott. Ezt úgy szüntettük meg, hogy a 800 C betéthımérsékleti zónában az oldalfalba éített, a kemence oldalfalára merıleges irányú levegıfúvókákkal a védıgázt lefújtuk a betét felületérıl, és az oldalégıket ezen a szakaszon nagyobb levegıtényezıvel üzemeltetve, elégettük. 3

4 Hossztengelyben a betétre tüzelés, n=0,5. Lemezbugák a munkatérben 3. Oldalégık atmoszférájának (n=1,1) el- Húzó nyílásai. 4. Vízhőtéses sínek 5. Alsó tér vedıgázégıi (n=0,5) 6. Füstcsatornák a kemence két oldala alatt ábra. Kétrétegő atmoszférával mőködı tolókemence függıleges keresztmetszete. ábra. Felsı védıgázégık az 1. ábra szerinti tolókemence homlokfalán 3. ábra: Főtıgázégık az 1. ábra szerinti tolókemence oldalfalain A lassú keverés és a láng hı-vesztesége okozta CO dúsulási hatást a 4. ábrán látható kísérleti berendezéssel vizsgáltuk. 4

5 50 mm vastag szálas tőzállóanyag táblák, melyek egymástól való távolsága mm között fokozat nélkül állítható Laos lángú földgázégı, -10 m3/h Gáz és levegı Ellátás és szabályozás A szálas tőzállóanyag táblákban 50 mm. távolságeloszlással furatok a hımérséklet és a gázösszetétel mérése céljából. Oxigén és CO elemzést végeztünk minden furaton át. Távolságok az égı tengelytıl mm, 50 mm-es lécsıkkel. Az elemzések eredményeit lásd az 5.ábrán. 4. ábra. CO vizsgáló kísérleti berendezés A vizsgálatok eredményeit az 5. ábra foglalja össze. Füstgáz-hımérséklet, C Földgáz-levegı CO, NO x tartalom mv, O % Távolság az égıtengelytıl 5. ábra. A 4. ábrán látható kísérleti berendezés mérési adatai Az eredmények azt mutatták, hogy az égéstermékek a kemencék üzemi körülményei között tartalmazhat jelentıs mennyiségő szénmonoxidot. Ilyenkor a kemencékben a kémiai egyensúly idı hiányában még nem alakulhat ki, és bár a távozó füstgázban még igen nagy 5

6 légfelesleg, (a kísérleteknél n = 1,35!), a kemencébıl távozó füstgáz CO tartalma közel megegyezett a füstgáz NO x tartalmával, (kb. 80 mg/m 3 ). Összegzés Az iari gyakorlat szerint, állandósult üzemi körülmények között nem jellemzı, hogy gáztüzeléső kemencékben szénmonoxid emissziós roblémák lénének fel. Ilyen körülmények között korlátozottan akár az egyszerősített, egyensúlyi számítások által eredményül kaott koncentráció érték is használható. Fokozott figyelmet kell azonban fordítani a hideg kemence indításakor, léghiányos tüzeléskor, hideg betét berakásakor kialakuló erısen instacioner viszonyokra, mert ilyenkor határértéket elérı, vagy meghaladó CO emisszió is kialakulhat. Ilyen esetekben az egyszerősített egyensúlyi számítások nem alkalmazhatók, helyettük a részletes kinetikát és áramlási viszonyokat is figyelembe vevı modelleket (l. CFD) javasolt alkalmazni. Irodalom [1] W. Harbeck, U. Guth: Ermittlung der Ausbrandgrenzen von Gasflammen mit Hilfe gasotentiometrischer Bestimmungsmethoden. Gaswärme international 39 (1990) Heft 1/, [] J. Warnatz, U. Maas, R. W. Dibble: Combustion, 3rd ed., Sringer-Verlag, 001 [3] Bíró A., Palotás Á. B.: Iari kemencék komlex tervezése Hıerıgéek és környezetvédelem 8. Nemzetközi Konferencia, Balatonfüred, 007. május