Πειραματική διερεύνηση μηχανισμού αποθείωσης σε πειραματική εγκατάσταση καύσης τεχνολογίας ρευστοποιημένης κλίνης

Abstract

Η παρούσα Διπλωματική Εργασία έχει ως θέμα την πειραματική διερεύνηση του μηχανισμού αποθείωσης κατά την καύση στερεών συμβατικών καυσίμων σε πειραματική εγκατάσταση τεχνολογίας ρευστοποιημένης κλίνης. Τα πειράματα πραγματοποιήθηκαν στην εγκατάσταση ατμοσφαιρικής ρευστοποιημένης κλίνης φυσαλίδων του Εργαστηρίου Ατμοπαραγωγών και Θερμικών Εγκαταστάσεων του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου. Η επίδραση διαφόρων παραμέτρων στη δέσμευση του θείου των καυσαερίων διερευνήθηκε με πλήθος πειραμάτων. Οι παράμετροι που εξετάστηκαν είναι η κοκκομετρία (500-650 μm, 650-800 μm και 800-1000 μm) και η ποσότητα (40 gr, 80 gr και 120 gr) του ασβεστόλιθου, η ταχύτητα ρευστοποίησης (0,570 ή 0,688 m/sec), η θερμοκρασία της κλίνης (845 ή 875 οC) και το καύσιμο (Πολωνικός λιγνίτης ή Ελληνικός ξυλίτης από την περιοχή της Φλώρινας). Τα δύο καύσιμα διαφέρουν σημαντικά στη σύσταση τους και στη θερμογόνο ικανότητά τους. Ο Πολωνικός λιθάνθρακας είναι πιο «πλούσιο» καυσιμό, καθώς η περιεκτικότητά του σε τέφρα και υγρασία είναι χαμηλή. Επίσης, η περιεκτικότητα του ξυλίτη σε θείο είναι σημαντικά μεγαλύτερη από αυτή του πολωνικού λιθάνθρακα. Διαπιστώνεται ότι η δυνατότητα αποθείωσης βελτιώνεται για λεπτή κοκκομετρία (500-650 μm) και μεγάλη ποσότητα ασβεστόλιθου, υψηλή ταχύτητα ρευστοποίησης (0,688 m/sec), χαμηλή θερμοκρασία της κλίνης (845 οC). Επίσης, στα πειράματα με Πολωνικό λιγνίτη η δέσμευση του θείου είναι καλύτερη, λόγω των χαμηλότερων ποσοστών περιεκτικότητάς του σε τέφρα και θείο. Η διάρκεια των πειραμάτων ήταν πέντε ώρες, ενώ πραγματοποιήθηκαν επίσης πειράματα διάρκειας 2,5 ωρών. Επιπλέον, αναπτύσσεται ένα υπολογιστικό μοντέλο που προσομοιώνει την αντίδραση του SO2 με τον ασβεστόλιθο. Η ανάλυση των υπολογισμών προσφέρει χρήσιμα συμπεράσματα για τη διάχυση των αερίων μέσα σε κόκκο ασβεστόλιθου και για τον συνολικό βαθμό μετατροπής του CaO. Στο Κεφάλαιο 2, περιγράφεται η λειτουργία και τα πλεονεκτήματα μίας ρευστοποιημένης κλίνης. Επίσης, δίνεται η κατάταξη των κλινών με κριτήριο την αεροδυναμική συμπεριφορά και την πίεση λειτουργίας. Ακόμα, παρουσιάζεται ο μηχανισμός καύσης σωματιδίου συμβατικού στερεού καυσίμου και η επίδραση της χρήσης ασβεστολιθικών προσθέτων στον περιορισμό των εκπομπών SO2 από εγκαταστάσεις ρευστοποιημένης κλίνης. Έμφαση δίνεται στην επίδραση των προσθέτων αποθείωσης στις εκπομπές αζωτούχων ρύπων, όπως το υποξείδιο του αζώτου (N2O) και τα οξείδια του αζώτου (NOX). Στο Κεφάλαιο 3, παρουσιάζεται η εγκατάσταση ατμοσφαιρικής ρευστοποιημένης κλίνης φυσαλίδων, όπου έλαβαν χώρα τα πειράματα καύσης των συμβατικών στερεών καυσίμων. Τα κυριότερα τμήματα που απαρτίζουν την εγκατάσταση είναι η κλίνη σωματιδίων και οι δύο κυκλώνες για τη δέσμευση της ιπτάμενης τέφρας. Επίσης, αναφέρεται το πρόγραμμα καταγραφής των παραμέτρων λειτουργίας της εγκατάστασης και περιγράφεται το σύστημα δειγματοληψίας και ανάλυσης των καυσαερίων. Στο Κεφάλαιο 4, παρουσιάζονται τα αποτελέσματα τα οποία προέκυψαν από την ανάλυση και αξιολόγηση των πειραματικών δεδομένων. Εξετάζεται η επίδραση των διαφόρων παραμέτρων (κοκκομετρία και ποσότητα προστιθέμενου ασβεστόλιθου, ταχύτητα ρευστοποίησης, θερμοκρασία κλίνης και καύσιμο) στις εκπομπές αέριων ρύπων και κυρίως SO2 και αζωτούχων ενώσεων. Διαπιστώνεται ότι οι εκπομπές ΝΟ αυξάνονται, ενώ οι εκπομπές Ν2Ο μειώνονται ελαφρά. Μελετάται και η αύξηση της μετατροπή του αζώτου του καυσίμου με παραμέτρους την θερμοκρασία της κλίνης και την κοκκομετρία του ασβεστόλιθου. Στο Κεφάλαιο 5, παρουσιάζεται το μοντέλο για την προσομοίωση της αντίδρασης του διοξειδίου του θείου με τον ασβεσόλιθο. Αναφέρονται οι παραδοχές που έγιναν για την κατάστρωση των εξισώσεων που επιλύθηκαν στη συνέχεια με το πρόγραμμα EES© (Engineering Equation Solver). Παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της προσομοίωσης, όπου διαπιστώνεται η εξέλιξη του φαινομένου της διάχυσης των αερίων συνιστωσών (CO, SO2 και O2) στο εσωτερικό του κόκκου. Επίσης, συγκρίνεται η εκτιμώμενη παραγωγή CaSO4 από το μοντέλο με την ανάλυση κόκκου σε SEM, οπότε διαπιστώνεται η ικανοποιητική ταύτιση των υπολογιστικών δεδομένων με πραγματικές μετρήσεις σε κόκκο από την πειραματική εγκατάσταση ρευστοποιημένης κλίνης. Τέλος, στο Κεφάλαιο 6 επιχειρείται η σύνοψη της διπλωματικής εργασίας και η εξαγωγή συμπερασμάτων από την ανάλυση των πειραματικών δεδομένων. Με βάση τα πειραματικά αυτά δεδομένα και τους υπολογισμούς, μελετήθηκε η επίδραση της κάθε παραμέτρου στην απόδοση της αποθείωσης. Επιπλέον, διαπιστώθηκε η επίδραση του ασβεστόλιθου στις αζωτούχες εκπομπές όπως το μονοξείδιο του αζώτου και το υποξείδιο του αζώτου.

The subject of this Diploma Thesis is the experimental study of the desulfurization mechanism during coal combustion on a lab-scale fluidized bed combustor. All the experiments took place at the lab-scale facility of the Laboratory of Steam Boilers and Thermal Plants, National Technical University of Athens. The effect of different parameters on sulfur capture was investigated with a series of experiments. The concerned parameters are: particle size distribution (500-650 μm, 650-800 μm and 800-1000 μm) and quantity (40 gr, 80 gr and 120 gr) of added limestone, fluidization velocity (0,570 or 0,688 m/sec), bed temperature (845 or 875 οC) and fuel (Polish lignite or Greek Xylite from the region of Florina). The two t;ypes of fuel differ a lot on their chemical composition as well as on their heating value. Polish lignite is a rich fuel, because its concentration of ash and moisture is quite low in comparison to xylite. Moreover, xylite’s concentration of sulfur is rather high compating to polish lignite. It is concluded that finer particle size distribution (500-650 μm) and greater quantity of limestone, high fluidization velocity (0,688 m/sec), lower bed temperature ((845 οC) improve the utilization of limestone for sulfur capture. Moreover, experiments carried out with Polish lignite present better desulfurization of the flue gases, due to lower concentration of ash and sulfur in the fuel. The experiments lasted either 5 hours or 2,5 hours. In addition to this, a model for the simulation of the SO2 - limestone reaction has been developed. The analysis of the computational data gives useful conclusions for the diffusion of gaseous species (CO, SO2 and O2) throughout the particle as well as the overall conversion degree of CaO. In Chapter 2, there is a description of the operation and advantages of fluidized bed combustion. Also, there is a categorization of fluidized beds depending on their aerodynamic behavior or operation pressure. Furthermore, the combustion mechanism of a single conventional solid fuel particle is described as well as the effect of limestone sorbent on the reduction of sulfur dioxide emissions from fluidized bed reactors. Emphasis is given on the effect of limestone in the emissions of nitrogenous pollutants, such as N2O and NOX. In Chapter 3, there is a detailed description of the lab-scale atmospheric bubbling fluidized bed combustor which was used for the experiments carried out during the study. The main parts of the facility are the particle bed and the two cyclones, which capture flying ash. Also, the gas sampling/analytics system and the operative parameters are mentioned. In Chapter 4, there is an extended presentation of the results, which derived from the analysis and evaluation of experimental data. The effect of different parameters (particle size distribution and quantity of added limestone, fluidization velocity, bed’s temperature and fuel) on flue gas emissions -SO2, NO and N2O- is examined. NO emissions show an increase, while N2O emissions are slightly reduced. The increase of N-fuel conversion is also studied with bed temperature and particle size distribution of limestone as parameters. In Chapter 5, a model for the simulation of the SO2 - limestone reaction is presented. The assumptions of the model are carefully reported as well as the equations of the model, which were solved with EES© (Engineering Equation Solver). The results of the simulation are exhibited and the progress of the diffusion of gaseous species thoughout the particle is shown. Furthermore, the estimated (from the model) production of CaSO4 is compared with the SEM analysis of a single particle. The coincidence of the computational data with SEM analysis of a particle from the lab-scale fluidized bed is quite satisfactory. Finally, in Chapter 6 there are the synopsis of the diploma thesis and the conclusions that are exported from the analysis and evaluation of experimental data. Based on these data and the calculations performed, the influence of each parameter on sulfur capture is examined. Furthermore, the effect of limestone on nitrogenous emissions is also confirmed as well as the accuracy of the model presented for the SO2-limestone reaction.