Reduktion av NOx från biooljeeldade hetvattenpannor på Gunnesboverket

Abstract (Swedish)

Den 1 januari 2016 skärptes kraven för luftutsläpp från förbränningsanläggningar genom För-ordningen (2013:252) om stora förbränningsanläggningar. I förordningen skärptes bland annat kraven för utsläpp av kväveoxider, NOX. Till följd av de skärpta kraven berördes Kraftringens produktionsanläggning Gunnesboverket. På anläggningen finns tre biooljeeldade hetvatten-pannor för fjärrvärmeproduktion där utsläppskraven för NOX i dagsläget inte uppnås. Företa-get har sökt och fått dispens från utsläppskraven fram till 31 december 2023 då kraven i för-ordningen måste uppfyllas. För att minska utsläppen ville Kraftringen i form av detta examensarbete undersöka möjligheterna att använda tekniken selektiv icke-katalytisk reduktion (SNCR) som en åtgärd på problemet, tekniskt samt ekonomiskt.
SNCR är en form av rökgasrening som innebär att en reduktionskemikalie sprutas in direkt i rökgaserna där reduktionskemikalien reagerar med NOX och reducerar NOX till kväve och vatten. Reduktionstekniken utreddes tekniskt genom bestämning av viktiga processparametrar för SNCR, teoretiskt samt experimentellt. En större del av examensarbetet gick ut på att experimentellt bestämma rökgastemperaturprofilen i en av pannorna eftersom reduktionsreaktionerna endast sker selektivt inom ett snävt temperaturfönster och temperaturerna i dagsläget är helt okända.
Rökgastemperaturerna undersökas under tre lastfall; låg last (15 MW), mellanlast (30 MW) och hög last (50 MW). Utredningen visade att rökgastemperaturen bara ligger inom rätt tem-peraturintervall för SNCR (ca 850-1100 °C för ammoniak som har varit den reduktionskemi-kalie denna studie har fokuserat på) vid lägsta last och är ca 200-300 °C för höga än den optimala temperaturen vid mellanlast och mer än 400-500 °C för höga än den optimala tempera-turen vid högsta last. Temperaturprofilen över tvärsnittet visade sig också vara väldigt ojämn vilket utgör ytterligare ett problem vid en eventuell SNCR installation och vart reduktionskemikalien skall sprutas in för att möjliggöra att den reagera i det optimala temperaturintervallet. Temperaturobalans orsakar otillräcklig reduktion i områden med låg temperatur och högre reduktion i områden med rätt temperatur vilket kan ha en negativ effekt på reduktionskemikalieförbrukningen och hur mycket oreagerat ammoniak (NH3-slip) som passerar systemet. Även uppehållstiden som är en viktig parameter för hur effektiv reduktion som erhålls visade sig vara låg, mellan 1,23–5,83 sekunder vid hög respektive låg last vilket innebär att uppe-hållstiden i volymen med rätt temperatur kommer att vara kortare än detta.
Kostnaderna för en SNCR-installation togs också fram för att se huruvida det var ekonomisk optimal lösning. Detta gjordes trots att rätt temperaturintervall saknas i pannorna ifall pannorna eventuellt modifieras för att möjliggöra SNCR. Även en investeringsbedömning togs fram. Kostnader för utrustning som ingår in en SNCR-process samt årliga kostnader relaterad till processen uppskattades för en panna. Den totala kostnaden för utrustningen uppskattades till ca 2,5 Mkr, de årliga kostnaderna uppskattades till ca 170 000 kr, antaget värsta möjliga fall i form av NOX utsläpp och kemikalieförbrukning. Investeringen visade sig inte lönsam som förväntat då den enda intäkten som tillkommer är minskningen av NOX avgiften vid minskade utsläpp.

Abstract

New regulations regarding emissions of air pollutants came into force as of January 1st 2016 in Sweden. The regulations are found in “The Regulation on Large Combustion Plants” SFS 2013:252. The regulation contained stricter regulations of NOX emissions which affected the energy company Kraftringen and their three biooil-fueled boilers, at the heating plant Gunnesboverket, that are used for producing heat for the district heating network in Lund. The new adopted regulations require the plant to reduce their NOX emissions before December 31st 2023 when the exemption given for the boilers ends and the regulations are due to take effect. To reduce the emissions, the company wanted to study the NOX-control technology Selective Non-Catalytic Reduction (SNCR), in the form of this master thesis, to decide if it is a technical and economical viable way to reduce the NOX emissions.
SNCR involves injection a reducing agent into the flue gas stream where the reagent reacts selectively with NOX to form primarily nitrogen and water. The NOX reducing technology was studied theoretically as well as experimentally. Part of the project involved experimentally measuring the flue gas temperature since the SNCR-reactions only occur in a specific temperature range.
The flue gas temperature was measured at three boiler loads; minimum load (15 MW), inter-mediate load (30 MW) as well as maximum load (50 MW). The measurements revealed that the flue gas temperature was in the optimal temperature range (which is 850-1,100 °C when ammonia is used as the reagent) only at the minimum load and around 200-300 °C to high at the intermediate load and more than 400-500 °C to high at the maximum load studied. The flue gas measurements also showed large temperature variations and imbalances across the cross-section area, especially at the lower loads, due to the boiler and burner construction. Imbalances in the temperature can have a negative impact on the consumption of reagent and unreacted ammonia (NH3-slip) passing the system. The reagent also requires sufficient resi-dence time in the optimum reduction temperature. The residence time, estimated theoretically, was 1.23–5.83 seconds (at high load and low load respectively) in the whole boiler volume, which means that the residence time in the optimum temperature range is less.
Even though the optimum temperature range did not exist within the boiler the costs of an SNCR retrofit for the boilers was estimated if for example modifications to the boiler was made to enable SNCR. Costs for SNCR equipment as well as annual costs were estimated and the results showed that the total equipment cost would be around 2.5 Mkr and the annual costs around 170,000 kr if the ”worst case scenario” was assumed in regards to NOX emissions and reagent consumption. A cost-benefit-analysis also showed that the investment would not be beneficial, which is predictable since the investment has no additional proceeds except for the lowered NOX emission charge.

Popular Abstract (Swedish)

Syftet med detta examensarbete var att undersöka tekniken selektiv icke-katalytisk reduktion (SNCR) som åtgärd för att minska utsläppen av kväveoxider, NOX, från Kraftringens tre biooljeeldade hetvattenpannor på Gunnesboverket. Drivkraften bakom projektet har varit nyare, striktare regler gällande utsläpp av NOX från förbränningsanläggningar (SFS 2013:252). Som ett första steg för att undersöka om SNCR är möjligt att tillämpa på pannorna måste rökgastemperaturen i pannorna bestämmas då SNCR går bara att tillämpa i ett snävt temperaturintervall. Rökgastemperaturen bestämdes experimentellt med hjälp av temperaturmätningar, där IR pyrometer och termoelement användes som mätinstrument, i fullskala på en av pannorna. Rökgastemperaturmätningarna visade att rökgastemperaturen i pannan endast var inom temperaturintervall vid lägsta last och för höga vid högre panneffekter.

• author: Aspen, Jasmin
• supervisor: Ingemar Odenbrand
• organization: Chemical Engineering (M.Sc.Eng.)
• course: KET920 20152
• year: 2016
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: kväveoxider (NOX), SNCR, rökgasrening, NOX-reduktion
• language: Swedish
• id: 8871258
• date added to LUP: 2016-04-29 15:04:40
• date last changed: 2016-04-29 15:04:40