IPARI FÖLDGÁZÉGİK LEVEGİOLDALI MÉRETEZÉSE NO X EMISSZIÓRA

IPARI FÖLDGÁZÉGİK LEVEGİOLDALI MÉRETEZÉSE NO X EMISSZIÓRA Dr. Sc. Bíró Attila Professor Emeritus Miskolci Egyetem Hıenergiagazdálkodási Intézet Tüzeléstani Tanszék Kivonat Az ipari kemencék NOx emissziója a legkárosabb környezetszennyezés a földgáztüzeléső izzító és hıkezelı kemencéknél. Az NOx emisszió csökkentése érdekében az elmúlt három évtizedben eredményes kutatómunka folyt a világ egyetemein és kutatóintézeteiben. A Miskolci Egyetem Tüzeléstani Tanszéke a T-7451 és T-32023 sz. OTKA projektek keretében 1992 óta folytat kutatásokat a témában. Ebben a közleményben az égı impulzuserejének hatását vizsgáljuk fél-üzemi földgáztüzeléső kemencében. Az impulzuserı hatásának vizsgálatához 23,8 kw teljesítményő kétvezetékes égıhöz 7 levegıtárcsát készítettünk, melyek levegıátömlı keresztmetszete fokozatosan csökkent és a sugara impulzusereje fokozatosan nıtt. Az 1200 C munkatér hımérséklető kemencében végzett mérések folyamán összehasonlítottuk az NO emissziót és megállapítottuk, hogy: 1. az égı impulzusereje befolyásolja az NOx emissziót; 2. a kis fajlagos impulzuserejő égık NOx emissziója kicsi, mivel az égı a tüzelıanyagot és az oxidálószert lassan keveri össze, ami hosszú, kis hımérsékletmaximumú lángot eredményez, melynek recirkulációs füstgázhányada a láng tömegéhez viszonyítva kicsi; 3. a nagy fajlagos impulzuserejő égı NOx emissziója is csökken a belsı füstgázrecirkuláció növekedése miatt, amennyiben az égéstér méretei lehetıvé teszik az intenzív belsı recirkuláció kialakulását; 4. az égık NOx emissziójának az impulzus erı függvényében maximuma van. Ezen intervallum elkerülése konstrukciós feladat. 1

Kulcsszavak: Környezetvédelem, földgáztüzelés, égık, impulzuserı, NO emisszió. Angol nyelvő változat: tuzadmin@gold.uni-miskolc.hu 1. Bevezetés Az ipari égık NOx emissziójának okairól és a szabályozás módjáról sok ismeretet szereztünk és a világ kutatóinak egymás eredményeire épített kutatásai lehetıvé teszik a környezetszennyezés minimális szintre való csökkentését még olyan tüzelések esetén is, melyek az NOx emisszió növekedésének kedveznek, mint például a nagy levegı elımelegítéssel (T lev >1300 K) mőködő regeneratív égık használata üvegolvasztó vagy hengermői izzítókemencéken. A tüzelıanyag és égési levegı összekeverési sebességének szabályozásával a többlépcsıs és lángnélküli égetés valamint külsı füstgáz-recirkuláció alkalmazásával a kemencék és kazánok hatásfokának csökkentése nélkül 100 ppmv alá csökkenthetı a nagy ipari energiafogyasztók NOx kibocsátása. Ez arra mutat, hogy az NOx emisszió szabályázásában a keveredési sebességet befolyásoló konstrukciós elemek meghatározó szerepet játszanak. Miközben a keverés sebességének változtatásával a környezetszennyezés jelentısen csökkenthetı, még tisztázatlan maradt sok olyan kémiai és fizikai folyamat, ami az égésterekben az NOx képzıdéssel kapcsolatban lejátszódik. Ezek azon folyamatok részei, melyek a reakcióhımérsékletet és/vagy az NOx képzıdésben résztvevı reagensek koncentrációját befolyásolják. Az ipari kemencék NOx emissziója földgáztüzelésnél túlnyomórészt (kb. 96%) NO formájában jut a légkörbe. Az NO képzı reakciók sebességét az Arrhenius egyenlettel leírva: n m [ A ].[ B ].exp E /, k = k. RT (1) a b látható, hogy az NO képzıdés sebességét legjobban a reacióhımérséklet (T) maximumának nagysága befolyásolja, ami egy adott tüzelıanyag (pl. földgáz) eltüzelése 2

esetén a tőztér és a keverék hımérsékletétıl, a keverési sebességtıl és a keverékben lévı, reakcióhımérsékletet csökkentı inert gázok parciális nyomásától függ. A láng hosszát és hımérséklet eloszlását befolyásoló keverési sebesség az ipari tüzelésekre jellemzı turbulens-diffúz keveredésnél a turbulencia növekedésével nı. A turbulencia hatását a turbulens-diffúz tömegtranszport egyenletével felírva: dm dt ahol D t a turbulens diffúziós tényezı, dc Dt. + wkc, dz = (2) Dt w. d k = 9.10 3. Re 0.16, ha a Re>3500 ami az ipari tüzeléseknél mindig adott. Az áramlás matematikai leírására több kutató dolgozott ki javaslatot, lásd pl. Magnussen [1] cikkében. Ha az áramlás turbulenciája nı, a turbulens tömegtranszport növekedése miatt a láng kiégési hossza csökken és hımérséklet maximuma növekszik. Más kutatók az áramlási viszonyok (tömeg, sebesség, hımérséklet) hatását vizsgálták lángokban és az NO képzıdésre [3,4,6,7,9,10,11,12,13]. A lánghımérséklet maximuma és az oxigénkoncentráció a lángban a belsı recirkuláció térfogatáramától is függ, melyet az égıbıl kilépı sugár injektáló hatása befolyásol. Az injektáló hatás nagysága az égıbıl kilépı sugár impulzuserejétıl függ: I = ρ. w 2. A, N (3) A képletben szereplı ρ (kg/m 3 ) a kiáramló keverék sőrősége, A kiömlési keresztmetszet és w kiömlési sebesség az égı konstrukciójától függ, vagyis azonos égıteljesítményt kisebb vagy nagyobb impulzuserejő égıvel érhetünk el, ami azt jelenti, hogy az égı impulzuserejének megválasztásával befolyásolhatjuk a belsı recirkuláció nagyságát, illetve a visszaszívott égéstermékek térfogatáramát. Mivel az égı teljesítménye is befolyásolja az I impulzuserı nagyságát, a szerzı javasolta a fajlagos impulzuserı használatát az égı névleges teljesítményéhez tartozó impul- 3

zuserejének megadásánál, [14, 15]: Teljesítményre vonatkoztatva I sp = N/kW vagy gáz-térfogatáramra vonatkoztatva I sp = Ns/g. Az I sp használatával egyszerő és gyors lehetıség nyílik a levegısebesség hatásának ellenırzésére új égık tervezésénél. A módszer ellen nem emelhetı kifogás fizikai szempontból sem, mert: a földgáztüzeléső ipari égık az izzító és hıkezelı kemencéknél szinte mindig 1,0<n<1,05 közötti levegıtényezıvel mőködnek, a gáz nagy főtıértéke és kis sőrősége miatt a gázáram tömege a keverékben kicsi (1:17,3), és értéke állandó, a turbulencia nagysága (az azzal arányos Reynolds szám) a lángban nem határozható meg, mert a keverék sőrősége pontról pontra változik, így az Nox számításához szükséges lánghımérséklet maximum értékek kiszámítása alig megoldható, mivel az égınek a kemencét kell kiszolgálnia, minden égı megválasztási paraméterei azonosak, ezért a továbbiakban csak az égési levegı nyomásának (sebességének) hatását vizsgáljuk az NOx képzıdésre. Ezt azért tartjuk célszerőbbnek, mert a turbulens sugarak recirkulációs keveredésének számítására kidolgozott módszerek (Thring [19], Craya[17-ben, p.8], Curtet[18], Hottel[17], Newby, Beér[8], Mitkaliníj [20], és mások) használata ilyen esetben bonyolultabb. Az impulzuserı kettıs hatással van az NOx emisszióra: a. A turbulenciát növelı hatása miatt befolyásolja a lánghımérséklet maximumot. Az impulzuserı növelése csökkenti a láng hosszát és növeli a lánghımérséklet maximumot, b. A belsı recirkulációt növelı hatása miatt csökkenti a lánghımérséklet maximumot az oxigén koncentrációt csökkentı és a hidegebb füstgázt a lángba- keverı hatása folytán. c. Az NOx emisszió változása attól függ, hogy egy választott impulzuserınél a két ellentétes hatás közül melyik erısebb. 2. NOx emisszió függése az égı terhelésétıl 4

Az impulzuserı változás kettıs hatásának vizsgálata legegyszerőbben úgy tanulmányozható, ha egy adott égı mőködését vizsgáljuk egy adott tőztéren. Az égı teljesítményének változtatásával az impulzuserı automatikusan változik. Ha mérjük az NOx koncentrációt az égık különbözı teljesítménnyel való üzemeltetésénél az eredmények megmutatják, hogy az NOx emisszió nıtt vagy csökkent az égı teljesítményének növelése esetén. Az irodalomban található cikkek közül [2-13], néhány olyat választunk, melyekben a kutatók számot adnak mérésekrıl, melyek során olajés gázégık NOx emisszióját mérték változtatott tőztérméreteknél és teljesítményeknél. Kremer és Otto [16] olaj- és gáztüzeléső blokkégı NOx emisszióját vizsgálták (1.ábra). A vizsgálatokat 400x400 mm keresztmetszető vízhőtéses kísérleti kemencében végezték. Az égıt a névleges teljesítmény 40, 80, 100 és 110%-án üzemeltették. A kemence tőztérhımérsékletét nem szabályozták és az a hıterhelés növekedésével növekedhetett. Az eredmények azt mutatták, hogy az NOx emisszió az égı teljesítményének növelésével közel lineárisan nıtt. A szerzık megállapítják összefoglalójukban, hogy Az eredmények világosan mutatják, hogy az égı NOx emiszsziója az égıkonstrukció változtatásával befolyásolható". 1. ábra Gáztüzeléső blokkégık NOx emissziója Fourniguet és Quinqueneau [5] kísérletekkel vizsgálták nyolc, 60...600 kw teljesítményő, különbözı konstrukciójú fáklyaégı NOx emisszióját, a hıterhelés függvényében (2. ábra). 5

A méréseket a maximális terhelhetıségtıl annak 20%-áig vizsgálták. Az égık fele maximumos, a másik fele csökkenı NOx emissziót mutatott a teljesítmény növelésével. A szerzık megállapították, hogy az égı konstrukciója alapvetıen befolyásolja az NOx kibocsátási tulajdonságokat, mivel a turbulencia nagysága, a hımérsékletmezı ingadozása és a különbözı NOx alkotó reakciók lejátszódási helyének megoszlása a konstrukciótól is függ. 2. ábra Fáklyaégık NOx emissziója Heinrich, Kozlowski és Lierev [17] 15 m 3 /h teljesítményő ipari földgázégı NOx emiszsziójának változását mérték az égıteljesítmény függvényében. A méréseket különbözı tőztér-hımérsékletek és levegıhımérsékletek esetén is elvégezték (3. ábra). ). Azt tapasztalták, hogy az NOx emisszió minden esetben monoton csökkent az égıteljesítmény növelésével (vagyis a fajlagos impulzuserı növekedésével). Az idézett vizsgálatokból azt a következtetést vonhatjuk le, hogy szők csatornákban, ahol a kemencetér keresztmetszete a recirkulációt korlátozza az impulzuserı hatásából fıként a lánghosszat befolyásoló turbulencia nagysága (lánghossz, 1. ábra) van befolyással, míg nagyobb, a recirkulációt lehetıvé tevı terekben [2] a komplex hatás érvényesül, amint az a 2. ábra 3. 4. 6. és 8. görbéjén látható. A közlemények nem tartalmazzák az égık fajlagos impulzuserejét, így nem követhetı, hogy mekkora impulzuserınél jelentkeztek a maximális NO emissziós értékek. 6

3. ábra NOx emisszió csökken az impulzuserı növelésével [3] 3. A kísérleti berendezések leírása A Miskolci Egyetem Tüzeléstani Tanszékén az OTKA T-32021 projekt támogatásával kísérleteket végeztünk az impulzuserı és az NOx emisszió közötti összefüggés tisztázására. A kísérletsorozat az OTKA T-7451számú NOx kutatások folytatása [14]. A kísérleteknél a 4. ábrán látható 25 kw teljesítményő kísérleti kemencét és a Magyarországon gyakran használt ABC égısor A1R jelő, 2,5 m 3 /h névleges teljesítményő tagját (5. ábra) használtuk. A kemence részletes leírását lásd a [14,15] közleményekben. Az égıt földgázzal (Hu=34000 kj/m 3 ) üzemeltettük. A földgáz és az égési levegı hımérséklete 300K, a levegıtényezı n=1,06...1,08 volt. Az égık teljesítményét 5 fokozatban 2,2...2,8 m 3 /h között változtattuk. A kemencetér hımérséklete egy mérési sorozatnál, az égı tengelyében, a harmadik mérési pontban mérve állandó volt, amit a kísérleti kemence vízhőtéses szondáinak be- és kimozgatásával értünk el. A mérések alatt a hımérsékleteket számítógépes adatgyőjtıvel regisztráltuk 20 másodpercenként. Az NO emissziót a kemence végénél chemoluminescens NOx elemzıvel mértük és az adatgyőjtıvel regisztráltuk. A levegıtényezıt O 2 elemzésbıl számítottuk. 7

4. ábra A kísérleti kemence hosszmetszete 5. ábra Az égı és a levegıtárcsa metszete Az impulzuserı hatásának vizsgálatához az égı cserélhetı levegıtárcsáját 6 (+1) különbözı kivitelben készítettük el. A tárcsák furatainak keresztmetszetét lépcsızetesen növeltük az 1. táblázatban összefoglalt adatok szerint. Így a csereszabatos tárcsák kicserélésével azonos égıteljesítménynél emittált NOx térfogatáramot 7 különbözı impulzuserejő sugárral vizsgálhattuk. A méréseknél tárcsánként megmértük az NOx emissziót a választott 5 gáz-térfogatáram fokozatnál, (2,2; 2,35; 2,5; 2,65; 2,8 m 3 /h földgáz), melyeknél a kemence vízhőtéses szondáinak hőtıkapacitása a 8

szondák betolásával a kemencetér hımérséklet 1100...1350 C között megválasztott tőztérhımérséklet tartását lehetıvé tette. 4. Vizsgálatok eredményeinek összefoglalása A vizsgálataink nyolc hónapja alatt 1100, 1200, 1250..1350 C térhımérsékleteknél végeztünk komplex vizsgálatokat 6 kísérleti tárcsával. A 6 tárcsás sorozatot az NOx maximum pontosabb behatárolása érdekében egészítettük ki egy 7. tárcsával, mely az 1. táblázatban a 2. számú tárcsa. A kísérleti tárcsa száma Méretek: 1 2 3 4 5 6 7 Belsı d mm 3.00 3.00 4,00 4,00 4,00 3,00 3,00 Külsı D mm 9,00 8,50 7,50 6,50 6,00 6,00 5,00 Belsı A 56,52 5652 100,48 100,48 100,48 56,52 56,52 Külsı A 381,51 340,30 264,94 199,00 169,56 169,56 117,75 Összes A 438,03 396,82 365,42 299,48 270,08 226,08 174,27 Gáz.térf.áram Számított levegısebesség (m/s) 2,20 14,40 15,90 17,30 21,10 23,40 27,90 36,20 2,35 15,40 17,00 18,50 22,70 25,00 29,80 38,70 2,50 16,40 18,10 19,70 24,00 26,60 31,70 41,20 2,65 17,30 19,20 20,80 25.40 28,10 33,60 43,60 2,80 18,30 20,30 22,00 26,70 29,70 35,50 46,10 Gáz.térf.áram Impulzuserı (N) 2.20 117 130 141 172 191 228 295 2,35 134 148 162 200 218 260 337 2,50 152 168 183 223 247 294 382 2,65 170 189 204 250 276 330 428 2,80 190 211 229 276 308 368 479 Névl.telj. Fajlagos impulzuserı (N/kW) 23,6 kw 6,44 7,12 7,75 9,45 10,47 12,46 16,20 Gáz.térf.áram NO emisszió (ppmv) 2,20 97 99 95 91 89 82 66 2,35 96 105 96 92 89 83 66 2,50 95 103 99 91 90 81 66 2,65 92 103 101 91 90 82 65 2,80 91 104 100 91 91 82 64 1. táblázat Tárcsaadatok és mérési eredmények 1200 C tőztérhımérsékletnél Amint a táblázatból leolvasható, a tárcsák 6,44 N/kW és 16,2 N/kW fajlagos impulzuserı között tették lehetıvé a levegısebesség hatásának vizsgálatát az NO emiszszióra, ami 14-46 m/s. levegısebességnek felel meg. A 6. ábra az 1200 C stabilizált égéstér hımérséklet esetén mért NO kibocsátást mutatja 2,2, 2,5 és 2,8 m 3 /h gáztérfogatáramnál, (15...45 m 3 /h égési levegı felhasználása közötti állapotokra). (Az NO emisszió több, mint 95%-a a teljes NOx emissziónak, ezen a hımérsékleten.) A 9

7. ábra a változó (nem stabilizált) kemencetér hımérsékletekkel végzett kísérletek NOx emisszióit mutatja. 5. Összefoglalás 6. ábra NO emisszió 1200 C A mérési eredmények alapján az alábbiak állapíthatók meg. 1. Állandó térhımérsékletnél a különbözı impulzuserejő égık NOx emissziós görbéi hasonló lefutásúak. 2. Egy adott teljesítményő égı NOx emissziós görbéje állandó térhımérséklet esetén az impulzuserı változtatása esetén maximumot mutat (lásd 6. ábra). 3. Ha a térhımérséklet változhat, megmarad az NOx emissziós görbe karaktere, de az NOx emisszió nı az égı teljesítményének növelésével, mivel a lánghımérséklet maximum nı a hıterheléssel (lásd 7. ábra). 4. Az égı impulzusereje befolyásolja az NOx emissziót. 5. A kis fajlagos impulzuserejő égık NOx emissziója kicsi, mivel az égı a tüzelıanyagot és az oxidálószert lassan keveri össze, ami hosszú, kis hımérsékletmaximumú lángot eredményez, melynek recirkulációs füstgázhányada a láng tömegéhez viszonyítva kicsi. 10

6. A nagy fajlagos impulzuserejő égı NOx emissziója is csökkenı az impulzuserıvel a névleges teljesítmény fölött, amennyiben az égéstér méretei lehetıvé teszik az intenzív belsı recirkuláció kialakulását. 7. A maximális NOx emisszió földgáztüzelésnél 1200 C hımérséklető térbıl ipari kis perdülető (perdületszám S=0,45 vagy kisebb) égıknél a névleges teljesítmény 20..40%-a között várható. 7. ábra NOx emisszió nem stabilizált térhımérsékleteknél Köszönetnyilvánítás: A szerzı köszönetét fejezi az OTKA T 32021 projekt anyagi támogatásért, a Tüzeléstani Tanszék munkatársai által a kemence üzemeltetésénél és az adatok feldolgozásánál nyújtott segítséget. Irodalomjegyzék [1] Magnussen, B.F: Prediction of Characteristics of Enclosed Turbulent Jet Flames, XIV. Symp on Comb. pp. 553-566 [2] Heinrich,H. Kozlowski,W LierevW.: Energieeinsparung und Schadstoffreduzierung an beheizungs-einrichtungen in der Industrie; GWI. 1981. Jan. S. 41-48. [3] Bowman,C.T: Kinetics of Nitric Oxide Formation in Combustion Processes. XV.Conf.on Comb. pp.729-737. 11

[4] Bowman, B.R, Pratt, D.T Crowe,C.T: Effects of Turbulent Mixing and Chemical Kinetics on Nitric Oxide Production in a Jet-Stirred Reactor, XV. Symp. on Comb. pp 819-829., GWI. Dez. 1980 pp667-670. [5] Fourniguet,MJ and QuinQueneau, A: Study of the Influence of Operating Parameters on NOx Emissions from Industrial Burners; IRGUC 6th International Gas Congress Proc. Prag. 1994 [6] Krüger,J: Drallbrenner mit minimaler NOx Abgabe. GWI. Dez.1975.pp 506-511. [7] Flamme,M Haep,J H Kremer: NOx Reduction Potential for Glass Melting Furnaces; Proceedings of 6th Int. Gas. Congress Prague, 1995. [8] Beér,J.M.: Recent Advances in the Technology of Furnace Flames J. of Inst. of Fuel, July 1972 pp 371-382. [9] Morgan, D.J. Dacombe, P, de Kamp, W. L.: NOx reduction capabilities of the internally fuel staged Burner with coal different rank International Flame Research Foundation, K 70/y/108. [10] Milani, A: Low nitrogen oxide combustion techniques in gas and oil fired equipment. IFRF, 3-43. [11] Oksanen, Antti: Turbulence-combustion in two different gas-fired furnaces. Int. Conf. Tampere Univ. of Technology, SF-33101 Tampere, Finland [12] Smart, J.P. Morgan D.J: The comparison between constant velocity and constant residence time scaling of aerodynamically air staged burner. Report on AP22 investigation. IFRF doc.no. F37/y/28. Ijmuiden. [13] Varga, I.: Calculation of scattering in modeling radiation heat transfer 6th Conf. On Thermogrammetry, Budapest,June 1989. [14] Bíró, A: NOx emisszió csökkentése 900...1300 oc hımérséklető földgáztüzeléső kemencetereknél. OTKA T 7451 téma zárójelentése. ME, Tüzeléstani Tsz. 1996. [15] Bíró,A: NOx development in gas fired research furnace; Int. Conf. of American-Japanese Flame Research Commitees; Environmental Control of Combustion Processes Maui USA Oct 11-15, 98. Proceedings. [16] Kremer,H Otto, D: NOx Emission von Heizungsanlagen mit Öl- und Gasbrennern; GWI. 1981 Jan. S. 41-48. [17] 17. Hottel, H.C. Becker, H.A., Williams, G.C.: Mixing and Flow in Ducted Turbulent Jets. 9th Symp. Comb. Inst. Academic Press, 1963, NY. pp.7-20. [18] Curtet,R.: Combustion and Flame, 2.1958. p. 383. [19] Thring, M.W. Hern,R.B, Siddall, R.G.: Flow Patterns in a Phase Change; 4th. Int. Symp. Comb Int. Pp.958-964. [20] Mitkaliníj, V.I.: Gázok sugaras áramlása félig zárt és zárt terekben. ETE-TÜKI Konf. Kiadv. Miskolc, 1965. 131.o. 12