Wählen Sie die richtige NOx-Steuerungstechnologie

Die meisten großen industrialisierten städtischen Gebiete in den USA können die nationalen Luftqualitätsstandards (NAAQS) für Ozon nicht erfüllen. Atmosphärische Studien haben gezeigt, dass die Ozonbildung das Ergebnis einer komplexen Reihe chemischer Reaktionen ist, an denen flüchtige organische Verbindungen (VOC) und Stickoxide (NOx) beteiligt sind. Diese Studien zeigen, dass viele städtische Gebiete mit einem VOC / NOx-Verhältnis von mehr als 15: 1 den Ozongehalt in der Umgebung nur durch Reduzierung der NOx-Emissionen senken können. Viele Staaten setzen daher NOx-Regelungen für Verbrennungsgeräte um, um die Einhaltung des NAAQS-Ozonstandards zu erreichen.

Dieser Artikel beschreibt die Charakterisierung von NOx-Emissionen aus industriellen Verbrennungsgeräten. Anschließend erhalten Sie Anleitungen zur Bewertung der anwendbaren NOx-Steuerungstechnologien und zur Auswahl einer geeigneten Steuerungsmethode.

Emissionen charakterisieren

Die meisten industriellen Verbrennungsvorrichtungen wurden nicht getestet, um ihre NOx-Grundemissionswerte zu ermitteln. Vielmehr wurden die NOx-Emissionen dieser Einheiten einfach unter Verwendung verschiedener Faktoren geschätzt. In Anbetracht der jüngsten Vorschriften ist es jedoch zwingend erforderlich, dass die NOx-Emissionen der betroffenen Einheiten jetzt mit Sicherheit bekannt sind. Dadurch wird der aktuelle Konformitätsstatus jeder Einheit festgelegt und die Definition gebührenpflichtiger Steuerungstechnologien für diejenigen Einheiten ermöglicht, die geändert werden müssen, um die Konformität zu erreichen.

Es ist daher wichtig, jedes Verbrennungsgerät zu testen, um seine NOx-Emissionseigenschaften zu überprüfen. Der Testprozess sollte rationalisiert werden, um zeitnahe und notwendige Informationen für Entscheidungen über die Anwendbarkeit von NOx-Steuerungstechnologien bereitzustellen.

Der grundlegende Ansatz besteht darin, ein Gerät aus einer Klasse von Einheiten (dh mit demselben Design und derselben Größe) für Charakterisierungstests (NOx, CO2 und 02) auszuwählen. Die Tests werden an drei Lastpunkten durchgeführt, die den normalen Betriebsbereich des Geräts darstellen, wobei an jedem Lastpunkt Tests zur Variation des Sauerstoffüberschusses durchgeführt werden. Abbildung 1 zeigt die typischen Ergebnisse des Charakterisierungstests. Die übrigen Einheiten der Klasse werden nur an einem Lastpunkt bei oder nahe der Volllast getestet.

Die während des Tests erhaltenen Betriebsdaten werden in Verbindung mit den NOx- und CO-Daten verwendet, um den Konformitätsstatus jeder Einheit sowie die anwendbaren NOx-Steuerungstechnologien für die Geräte zu definieren, die geändert werden müssen. In den meisten Fällen können mit diesem Ansatz mehrere Einheiten an einem Tag getestet werden und die erforderlichen Betriebsdaten bereitgestellt werden, die der Ingenieur benötigt, um die potenziellen NOx-Steuerungstechnologien ordnungsgemäß zu bewerten.

Grundsätzliche Konzepte

Angemessen verfügbare RACT-Standards (Control Technology) für NOx-Emissionen werden als Emissionsgrenzwert definiert, z. B. 0,2 lb NOx / MMBtu, anstatt spezifische NOx-Steuerungstechnologien vorzuschreiben. Abhängig vom abgefeuerten Kraftstoff und dem Design der Verbrennungsvorrichtung können eine Vielzahl von Steuerungstechnologien praktikable Optionen sein. Vor der Auswahl von RACT für eine bestimmte Verbrennungsvorrichtung muss verstanden werden, wie NOx-Emissionen gebildet werden, damit die geeignete Regelstrategie formuliert werden kann.

Während des Verbrennungsprozesses entstehende NOx-Emissionen sind eine Funktion der Brennstoffzusammensetzung, der Betriebsart und der Grundkonstruktion des Kessels und der Verbrennungsanlage. Jeder dieser Parameter kann eine wichtige Rolle für das endgültige Niveau der NOx-Emissionen spielen.

Die NOx-Bildung wird drei unterschiedlichen Mechanismen zugeschrieben:

1. Thermische NOx-Bildung;

2. Sofortige (d. H. Sich schnell bildende) NO-Bildung; und

3. NOx-Bildung des Kraftstoffs.

Jeder dieser Mechanismen wird von drei grundlegenden Parametern angetrieben: Verbrennungstemperatur, Zeit über den Schwellentemperaturen in einer oxidierenden oder reduzierenden Atmosphäre und Turbulenzen während der anfänglichen Verbrennung.

Thermische NOx-Bildung in Gas-, Öl-. und kohlebefeuerte Vorrichtungen resultieren aus der thermischen Fixierung von Luftstickstoff in der Verbrennungsluft. Frühe Untersuchungen zur NOx-Bildung basierten auf kinetischen Analysen zur Verbrennung gasförmiger Brennstoffe. Diese Analysen von Zeldovich ergaben eine Arrhenius-Gleichung, die die relative Bedeutung von Zeit, Temperatur sowie Sauerstoff- und Stickstoffkonzentrationen für die NOx-Bildung in einer vorgemischten Flamme zeigt (dh die Reaktanten werden vor der Verbrennung gründlich gemischt).

Während die thermische NOx-Bildung in Verbrennungsvorrichtungen unter Verwendung der Zeldovich-Beziehung nicht tatsächlich bestimmt werden kann, zeigt sie die Bedeutung der Hauptfaktoren, die die thermische NOx-Bildung beeinflussen, und dass die NOx-Bildung exponentiell mit Verbrennungstemperaturen über 2,800 ° F zunimmt.

Experimentell gemessene NOx-Bildungsraten in der Nähe der Flammenzone sind höher als die durch die Zeldovich-Beziehung vorhergesagten. Dieses sich schnell bildende NO wird als sofortiges NO bezeichnet. Die Diskrepanz zwischen den vorhergesagten und den gemessenen thermischen NOx-Werten wird auf die vereinfachenden Annahmen zurückgeführt, die bei der Ableitung der Zeldovich-Gleichung verwendet wurden, wie beispielsweise die Gleichgewichtsannahme, dass O = ½ 02. In der Nähe der Kohlenwasserstoff-Luft-Flammenzone die Konzentration der gebildeten Radikale wie O und OH können

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