Europejskie przepisy dotyczące emisji stają się coraz bardziej rygorystyczne, a tlenki azotu (NOx) znajdują się wysoko na liście priorytetów. Od operatorów oczekuje się usuwania NOx z wysoką precyzją i wydajnością, przy jednoczesnym utrzymaniu wycieku amoniaku na jak najniższym poziomie. O dużej części tego wyniku decyduje sposób rozpylania odczynnika, jeszcze zanim dotrze on do katalizatora.
Dlaczego redukcja NOx ma w Europie większe znaczenie niż kiedykolwiek
Tlenki azotu powstają podczas spalania w wysokich temperaturach. Stanowi to wyzwanie w procesie topienia szkła, w piecach cementowych, zakładach przetwarzania odpadów na energię, elektrowniach oraz w produkcji stali. Limity emisji są coraz bardziej rygorystyczne, a europejskie wytyczne dotyczące najlepszych dostępnych technik (BAT) wymagają od operatorów osiągnięcia niskich poziomów NOx bez powodowania nowych problemów. Tym nowym problemem jest ulatnianie się amoniaku: nieprzereagowany amoniak, który opuszcza system w wyniku nieprawidłowego dozowania lub rozprowadzania odczynnika.
SCR i SNCR: dwie metody, jedna wspólna zależność
W obu metodach do spalin wtryskiwany jest odczynnik, zazwyczaj mocznik lub roztwór amoniaku.
- SNCR (selektywna redukcja niekatalityczna): odczynnik jest wtryskiwany do strefy wysokiej temperatury pieca lub kotła, zazwyczaj w temperaturze od około 850 do 1100 °C. Reaguje on z NOx bez udziału katalizatora.
- SCR (selektywna redukcja katalityczna): odczynnik jest wtryskiwany przed katalizatorem, zazwyczaj w temperaturze od około 300 do 400 °C. Reakcja zachodzi na katalizatorze.
Sprzęt i temperatury są różne, ale zależność pozostaje ta sama. Środek reagujący musi być dobrze rozpyłowany, równomiernie rozprowadzony i całkowicie wymieszany z gazem w odpowiednim momencie. Jest to problem związany z rozpylaniem. Aby uzyskać szerszy przegląd, przeczytaj nasz artykuł na temat rozwiązań w zakresie technologii rozpylania do kontroli emisji NOx.
Dlaczego dysza ma tak duże znaczenie
Dysze rozpylające przekształcają ciekły odczynnik w kropelki, dzięki czemu może on się rozprzestrzeniać, odparowywać i reagować z NOx. Na wydajność wpływa pięć zmiennych: wielkość kropelek, rozkład kropelek, prędkość, kąt rozpylania i kierunek rozpylania. Gdy parametry te są nieprawidłowe, często obserwuje się:
- Krople, które są zbyt grube i odparowują zbyt wolno, przez co odczynnik może dotrzeć do katalizatora w postaci cieczy
- Słaba penetracja, co powoduje, że część strumienia gazu pozostaje nieprzetworzona
- Rozpylenie uderzające w ścianki kanału, co może powodować osady i zużycie
- Nierównomierne mieszanie przy częściowym obciążeniu, co zwiększa ucieczkę amoniaku
Dobrze zaprojektowany układ wtrysku ma na celu:
- Równomiernego rozprowadzenia odczynnika w całym kanale
- Zoptymalizowaną penetrację i mieszanie
- Niskiego wycieku NH3 we wszystkich warunkach obciążenia
- Rozmieszczenie dysz ograniczające oddziaływanie na ścianki kanału
Studium przypadku: huta szkła w Pizie we Włoszech
Huta szkła w Pizie musiała obniżyć poziom NOx z około 1600 mg/Nm³ do poniżej 300 mg/Nm³ za pomocą systemu SCR wykorzystującego wodę amoniakalną. Do przeprowadzenia reakcji dostępnych było jedynie 13 metrów prostego kanału, a zużycie powietrza do atomizacji musiało pozostać na niskim poziomie. Symulacja z wykorzystaniem metody dynamiki płynów (CFD) wykazała, że dysze atomizujące powietrze FloMax® FMX030 są w stanie całkowicie odparować wodę amoniakalną na tej długości. Zainstalowano dwie lancy z dyszami FMX030.
- Przed: ok. 1 600 mg/Nm³
- Po: poniżej 300 mg/Nm³
- Dostępna długość kanału: 13 m
- Dysze: FloMax® FMX030 na dwóch lancach
- Zgodność z normami utrzymywana od połowy 2019 r.
Najpierw model, potem montaż
Wynik z Pizy uzyskano dzięki symulacji przeprowadzonej przed rozpoczęciem budowy. Typowe podejście składa się z trzech etapów:
- Symulacja CFD przepływu gazu i zachowania strumienia
- Modelowanie parametrów emisji
- Optymalizacja i uruchomienie na miejscu
Przydatne dane wejściowe do zebrania: temperatura gazu, natężenie przepływu, dostępna długość prostego kanału, rodzaj odczynnika, zakres obciążenia oraz docelowe poziomy NOx i poślizgu.
Po skonfigurowaniu wtrysku regulacja w pętli zamkniętej utrzymuje ustawienia na stałym poziomie. System kontroli NOx AutoJet® odczytuje sygnał zwrotny z czujnika NOx i automatycznie dostosowuje przepływ cieczy i powietrza do dysz, dzięki czemu wydajność pozostaje na stałym poziomie przy zmianach obciążenia. System współpracuje z dyszami rozpylającymi powietrzem i hydraulicznymi oraz z lancami. Więcej informacji można znaleźć na naszej stronie poświęconej zastosowaniom kontroli NOx.
Poza NOx: chłodzenie i kondycjonowanie gazów
Wtrysk odczynnika jest często jednym z etapów w szerszym łańcuchu oczyszczania spalin. Ta sama wiedza specjalistyczna w zakresie rozpylania ma zastosowanie do:
- Chłodzenie i gwałtowne schładzanie w przewodach
- Regulacja temperatury przed filtrami workowymi, elektrofiltrami (ESP) i wymiennikami ciepła
- Usuwanie SO₂
- Wieże chłodnicze
- Chłodzenie i kondycjonowanie gazu
Ma to znaczenie w różnych gałęziach przemysłu, od hutnictwa stali i metali nieżelaznych po produkcję cementu i energetyzację odpadów. Zobacz również nasz wpis na temat tego, dlaczego dysze rozpylające są niezbędne do wydajnego procesu chłodzenia, lub przejrzyj wszystkie zastosowania rozpylania.
Często zadawane pytania
Jaka jest różnica między SCR a SNCR?
W technologii SCR mocznik lub amoniak są wtryskiwane przed katalizatorem w temperaturze około 300–400 °C. W technologii SNCR są one wtryskiwane bezpośrednio do gorącej strefy pieca w temperaturze około 850–1100 °C, bez użycia katalizatora. Technologia SCR zazwyczaj zapewnia wyższy stopień redukcji NOx, natomiast technologia SNCR nie wymaga stosowania katalizatora.
Czym jest przeciek amoniaku?
Ucieczka amoniaku to nieprzereagowany amoniak, który opuszcza układ wraz z gazami spalinowymi. Jest ona zazwyczaj spowodowana przedawkowaniem, nierównomiernym rozprowadzeniem lub słabym wymieszaniem. Odpowiedni dobór i rozmieszczenie dysz pomaga to ograniczyć.
Dlaczego wielkość kropelek ma znaczenie w redukcji NOx?
Wielkość kropelek decyduje o tym, jak szybko odparowuje odczynnik i jak daleko wnika on w strumień gazu. Drobne kropelki odparowują szybko, co jest niezbędne, gdy odczynnik musi zostać całkowicie odparowany przed dotarciem do katalizatora SCR. Kropelki muszą również mieć wystarczający pęd, aby dotrzeć do całego przekroju kanału.
W jaki sposób wykorzystuje się CFD w kontroli emisji NOx?
Symulacja CFD modeluje przepływ gazu i zachowanie rozpylonej cieczy, w tym odparowywanie kropelek, w rzeczywistej geometrii kanału. Pomaga to w wyborze typu i położenia dyszy przed instalacją. W Pizie potwierdzono całkowite odparowanie w ciągu 13 metrów prostego odcinka kanału.
Czy tę samą technologię rozpylania można wykorzystać do chłodzenia gazu?
Tak. Dysze i lance są również wykorzystywane do chłodzenia i hartowania w przewodach, regulacji temperatury przed filtrami workowymi i elektrofiltrami, usuwania SO₂ oraz kondycjonowania gazu.
Chcesz zweryfikować swoją konfigurację wtrysku przed rozpoczęciem budowy? Porozmawiaj z lokalnym ekspertem ds. rozpylania na temat analizy CFD.