Υπολογιστική μελέτη των μηχανισμών δημιουργίας NOx-N2O σε ρευστοποιημένες κλίνες ανακυκλοφορίας

Abstract

Στην εργασία αυτή πραγματοποιήθηκε ο τρισδιάστατος υπολογισμός των συγκεντρώσεων των οξειδίων του αζώτου (NOx και N2O) σε πιλοτική μονάδα ρευστοποιημένης κλίνης ανακυκλοφορίας, ισχύος 1.2MWth. Τα τελευταία χρόνια η ανάγκη για κατασκευή ολοένα και περισσότερων μονάδων παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας σε συνδυασμο με την απαίτηση για μείωση των εκπομπών στο περιβάλλον έχει στρέψει το ενδιαφέρον σε νέες τεχνολογίες που μπορούν να εισαχθούν στην ηλεκτροπαραγωγή. Μία από αυτές είναι η τεχνολογία της ρευστοποιημένης κλίνης ανακυκλοφορίας (circulating fluidized bed - CFB) η οποία μειώνει αισθητά τις εκπομπές σε οξείδια του αζώτου και του θείου (NOx και SOx) χωρίς τη χρηση δευτερογενών μέτρων και έχει μεγάλη διαθεσιμότητα και γρήγορη κατασκευή. Όμως, παρατηρείται αύξηση της συγκέντρωσης σε εκπομπές πρωτοξειδίου του αζωτου (N2O) σε σχέση με τις συμβατικές μονάδες καύσης. Ένα εργαλείο για την εμβάθυνση στις συνθήκες που επικρατούν στο εσωτερικό της ρευστοποιημένης κλίνης το οποίο χρησιμοποιείται για την αποδοτικότερη σχεδίαση μονάδων μεγάλης κλίμακας αποτελεί η επιστήμη της υπολογιστικής ρευστομηχανικής (computational fluid dynamics - CFD). Στην παρούσα εργασία σχεδιάσθηκε μοντέλο προσομοίωσης του σχηματισμού και της μεταφοράς των χημικών ενώσεων στην πιλοτική μονάδα 1,2MWth το οποίο συγκρίθηκε με πειραματικά δεδομένα. Χρησιμοποιήθηκε η απεμπλεγμένη μέθοδος υπολογισμού των οξειδίων του αζώτου (NOx decoupled). Επίσης έγινε έρευνα στη διεθνή βιβλιογραφία για την εύρεση των σημαντικότερων αντιδράσεων που συμμετέχουν στο σχηματισμό και την καταστροφή οξειδίων του αζώτου σε συνθήκες ρευστοποιημένης κλίνης, καθώς και της χημικής κινιτηκής τους (ρυθμός αντίδρασης - reaction rate). Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης έδειξαν ότι τα NOx σχηματίζονται με αντίστοιχους ρυθμούς από τον ομογενή και τον ετερογενή μηχανισμό σε όλο τον όγκο της κλίνης. Αντιθέτως, το πρωτοξείδιο του αζώτου (N2O) σχηματίζεται κατά κύριο λόγο μέσω της ετερογενούς οξείδωσης του εξανθρακώματος. Επίσης διαπιστώθηκε ότι για το υπόψη καύσιμο, χρησιμοποιώντας τη θεώρηση ότι το άζωτο που βρίσκεται προσδεμένο στο εξανθράκωμα απελευθερώνεται κυρίως με τη μορφή οξειδίων του αζώτου, ενώ το ενδιάμεσο υδροκυάνιο (HCN) απελευθερώνεται σε αμελητέες συγκεντρώσεις, η λύση προσέγγιζε καλύτερα τα πειραματικά δεδομένα. Τέλος, το βασικό πρόβλημα που εντοπίστηκε κατά τη μοντελοποίηση ήταν η αξιοπιστία των διαθέσιμων εκφράσεων της χημικής κινητικής για τις αντιδράσεις (ρυθμοί αντίδρασης). Οι εκφράσεις που βρέθηκαν στη βιβλιογραφία, κυρίως για τις ετερογενείς αντιδράσεις, διέφεραν αισθητά μεταξύ τους.

In this work, a three-dimensional computation of nitrogen oxide concentrations (NOx and N2O) was performed in a circulating fluidized bed pilot plant, 1.2MWth. The constant increase of electric power worldwide, in conjunction with the need to limit gas and particle emissions ον the environment, necessitates the introduction of new technologies in power plants. Circulating fluidized bed (CFB) is one of these new technologies, which in fact offers reduced emissions of nitrogen and sulfur oxides (NOx and SOx) without the use of secondary measures. However, during CFB combustion, extremely high concentrations of nitrous oxide (N2O) are observed compared to lower levels of N2O in pulverized coal combustion boilers. The science of computational fluid dynamics (CFD) is an important tool which will help with the investigation of the complex fluid flow inside the fluidized bed and can be used for the efficient design of large-scale units. In this study, a simulation model for the formation and transport of chemical species in the 1,2 MWth pilot plant was designed and compared to experimental data. The “NOx decoupled” method was adopted for the calculation of nitrogen oxide concentrations. Moreover, extensive research in literature was carried out in the scope of finding the most important reactions involved in the formation and destruction of nitrogen oxides in fluidized bed conditions, and their reaction rates respectively. Simulation results showed that NOx is formed in almost equal rates through the homogeneous and heterogeneous mechanism in the entire volume of the bed. In contrast, nitrous oxide (N2O) is formed mainly through the heterogeneous oxidation of the char. Results also showed that for the specific fuel used in the pilot plant (Rheinian lignite), after adopting the assumption that the nitrogen attached to the char is mainly oxidized to form nitrogen oxides, while the intermediate hydrogen cyanide (HCN) formed from char – N is released in negligible concentrations, simulation results were in better agreement with the experimental data. Finally, the main problem which was encountered during the modeling study, was the reliability of the available reaction rate expressions found in literature, especially for the heterogeneous reaction