Katalytische Luvo voor DeNOx

J ü

o

o

o

o

o

ü

o

o

~ ~

C(.,V\ 't

~)

3> ,

~1'

?)()

tt

;-l-.-s

1-F.V.O. Nr.

~968

Vakgroep Chemische Procestechnologie

B.l. Bax

Verslag behorende

bij het fabrieksvoorontwerp

van

A.C. van der Heijden

adres:

Spoorsingel 62

Hippolytusbuurt 27

,J~~.'f

onderwerp:

Katalytische Luvo voor DeNO

_x

opdrachtdatum:

verslagdatum :

17-2-1992

01-5-1993

T

U

Delft

Faculteit der Scheikundige Technologie en der Materiaalkunde Technische Universiteit Delft

- - - -- - - .. _- -... ... ... . . ... . . . ... . . . . . . .

::::<

K

:

t

::

I

:

t

·

..

:~:::::::::::h:: L···:·:::::::::·:·:·:·:::·:·:·:::·:::

_{.. ::·:::·:::::·:·:··::}

_D

_·

_..

_···

_N

_{····:····:::::::·::::::::}

...

. . . ..

..

..

·

a

·

. . .

a

.

y

.

·

IS

·

C

. . .

·

·

e

···

. . . . . .

uv

·

o

. .

·

.

·

voor

. . . . . . ..

··· ..

e

· .

. . . . .

0

-····

.

..

::::>::::

:

.:.:

.:

••••.

_...

:

.•

:

...

...

: ...

::

•.•.•.•••.•.•.••

_........

•••.

:

.•

•

•.•

_...

•

•

: •• : ••.

:.:

•

•

: •.

:

.•• : ••••••.

••

•••••••••

·

...

·.

·

.·.·.

·

.·.·.

_..

·

.·.:··.·.·.·.·.·.·

_{... ...}

.

..

·.:··.·.

·

·.

·

x

·· .. .

_. ... ... . :::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::: :.:.:.:-:.:.:.:.:.:.' .

. ::

.

:::

.

:

.... ::

:

::.

:

::.

:·:·:Jfer:~lilg·fCl:b.,.t~/csvó()/tJfrf$KrpN();·:!9§~···

.::::::::«<

.. -... . . ... . ... ... . . . . . .. .. Begeleiders:

Prof. ir. J. Grievink

Drs. F.A. Meijer

Delft, 1 mei 1993

Vakgroep:

Chemische Proces Technologie

Periode: 17-2-1992 tlm 1-5-1992 10-9-1992 tlm 14-10-1992 20-2-1993 tlm 10-3-1993 12-4-1993 t/m 1-5-1993 Studenten: B.J. Bax Spoorsingel 62 2613 BA Delft 1t 015-122682

A.C. van .der Heijden Hippolytusbuurt 27 2611 HM Delft

I ·J

Katalytische Luvo voor DeNOx Samenvatting

Samenvatting

In dit voorontwerp wordt uitgegaan van een 223 MW electriciteitscentrale die gestookt wordt met aardgas. Deze centrale produceert 200 Nm3/s rookgas met een NOx uitstoot van 500 ppm (622 mg/Nm3).

Gekeken is naar de mogelijkheid om deze centrale zo aan te passen dat de rookgasstroom gezuiverd wordt zodat de wettelijk maximaal toegestane norm van 200 mg/Nm3 gehaald wordt.

In dit fabrieksvoorontwerp wordt de mogelijkheid onderzocht om de reeds aanwezige luchtvoorverwarmer (Luvo) om te bouwen tot een selectieve katalytische reductie reactor. Als katalysator wordt gebruik gemaakt van Vanadium oxide met Titaanoxide als dragermateriaal. Deze katalysator wordt aangebracht op de warmtewisselende platen van de Luvo. Door ammoniak te injecteren in de rookgasstroom werkt de Luvo tweeledig: als

warmtewisselaar en als reactor.

De werking van de Luvo als warmtewisselaar en selectieve katalytische reactor (SeR) is gesimuleerd met behulp van een Turbo Pascal

computerprogramma. Het met dit programma berekende temperatuursprofiel komt goed overeen met de verwachtingen. Bij dit temperatuursprofiel blijkt volgens de simulatie dat de ingaande NOx concentratie van 622 mg/Nm3 bijna volledig kan worden omgezet. Aangezien meer waarde gehecht wordt aan experimentele gegevens van de Kema is aangenomen dat de seR-Luvo de NOx concentratie in ieder geval tot de wettelijke 200 mgINm3 kan

terugbrengen, waarbij de uitgaande NH₃ concentratie onder de wettelijk toegestane norm van 5 ppm blijft.

Voor het installeren van de katalytische werking in de Luvo zijn de volgende aanpassingen nodig:

• Aanbrengen katalysatorlaag op de warmtewisselende platen van de Luvo. • Installeren ammoniak injectie systeem

• Monitoren uitstoot van NOx ,zodat de procesregeling deze informatie kan gebruiken voor het regelen van de toe te voeren NH₃ stroom.

Het verlagen van de [NOxl tot een niveau onder de wettelijke norm door het aanbrengen van de katalytische werking in de Luvo kost per jaar

I

3.458.520 . Aangenomen dat de verkoopprijs per kWh eerst

I

0,10 was, dan wordt de prijs na bovenbeschreven zuivering van NOx 10,102 per kWh.

I~

Katalytische Luvo vooi·DeNO_x Conclusie

Conclusie

Uit dit fabrieksvoorontwerp blijkt dat het mogelijk is om een rookgasstroom die afkomstig is van een op aardgas gestookte electriciteitscentrale te

zuiveren van NO_x door de luchtvoorverwarmer tevens als SCR reactor te laten functioneren.

De werking van de luchtvoorverwarmer (Luvo) als warmtewisselaar en selectieve katalytische reactor (SCR) is gesimuleerd met behulp van een Turbo Pascal computerprogramma. Het met dit programma berekende temperatuursprofiel komt goed overeen met de verwachtingen. Bij dit temperatuursprofiel blijkt volgens de simulatie dat de ingaande NOx

concentratie van 622 mg/Nm3 bijna volledig omgezet kan worden, waarbij tevens bijna alle NH₃ wordt verbruikt.

Het gebruikte computerprogramma is echter een vereenvoudigde weergave van de werkelijkheid zodat meer waarde wordt gehecht aan de

experimentele gegevens van de Kema, waarbij de omzetting van NO_x minder groot is. Op grond van de gegevens van de Kema is bij de berekening van de massabalans, warmtebalans en de financiële gevolgen aangenomen dat de SCR-Luvo de NOx concentratie in ieder geval tot de wettelijke 200 mgINm3 kan terugbrengen, waarbij de uitgaande NH₃ concentratie onder de wettelijk toegestane norm van 5 ppm blijft.

Bij de berekening van de financiële aspecten wordt uitgegaan van een reeds bestaande centrale. De kosten van het aanbrengen van het denitrificeren van de rookgasstroom tot de wettelijke toegestane norm bedragen

f

3.458.520 .

Dit komt neer op

f

0,002 aan extra kosten op de bestaande prijs van

f

0,10 per geleverde kWh.

De volgende aanbevelingen kunnen worden gemaakt:

1- Het is beter de problemen bij de bron aan te pakken, dat wil zeggen de NOx uitstoot met primaire maatregelen te beperken. Wanneer dit niet mogelijk is, om financiële of technische redenen, dan pas komen secundaire maatregelen ter sprake. Het in dit fabrieksvoorontwerp uitgewerkte idee om de Luvo als SCR-reactor te gebruiken verdient in die gevallen zeker de nodige aandacht

I

l~

,--,'

Katalytische Luvo voor DeNO_x Conclusie

2- Bij het simuleren van de Luvo is een aantal aannamen gedaan die voor verbetering vatbaar zijn:

Slip stromen modelleren in de Luvo

Uitgebreider kinetiek model met meerdere reacties meenemen De warmtegeleiding tussen de verschillende schijven in de matrix niet verwaarlozen

Testen welke ronddraaitijd van de Luvo de beste omzetting oplevert, en het gunstigste temperatuursprofiel

De katalysator kan worden aangebracht in het gebied met maximale activiteit, hetgeen een besparing op de kosten van de katalysator oplevert

3- Uitvoeren van experimenten met een SCR-Luvo met als doel het valideren en eventueel verbeteren van het computermodel.

4- Onderzoeken van de mogelijkheden om in de Luvo, bij het bestaande temperatuursprofiel, met een andere katalysator ook andere

schadelijke stoffen te verwijderen.

5- Luchtvoorverwarmers worden niet alleen in bestaande

electriciteitscentrales aangetroffen, maar ook bijvoorbeeld op schepen. Ook hier is ruimte een beperkende factor, zodat het installeren van een SCR-Luvo zijn voordelen biedt indien de rookgasstroom gezuiverd dient te worden.

1-Katalytische Luvo voor DeNOx Inhoudsopgave

Inhoudsopgave

Samenvatting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Conclusie . . . .. .. .. .. .. .... .. .. 11 Inhoudsopgave . . .. . .... . ... . . ... .. . . IV Index A B C Vll Bijlagen . .... . .. . ... .. . . .. . . ~ . . . vii Figuren . . . .. .. . . ... . . Vll Tabellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V111 I. Inleiding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 11. Uitgangspunten Ontwerp .. .. . . .. . . ... . . . 4 111. Beschrijving Proces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 IV. Procescondities . .. . . . ... . ... . . . 8

IV.I. Gestelde eisen aan de katalysator . . . . . . . . . . . .. 8

IV.2. Reactiemechanisme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 9

IV.3. Kinetiek . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

IV.4. Temperatuur en druk. . . . . . . . . . . . . . . . . .. 10

V. Motivatie Gekozen Apparatuur . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 11

V.I. Katalytische Luvo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

V.I.1. Luchtvoorverwarmer . . . . . . . . . . . . . 11

V .1.1.1. Werking V.l.l.2. Modellering V.I.I.3. Ontwerp

- - - _._.

Katalytische Luvo voor DeNOx Inhoudsopgave

V.l.2. SeR reactor . . . . . . . . .. 16

V.I.2.1. Werking V.1.2.2. Modellering V.l.2.3. Ontwerp V.l.2.4. Resultaten V.I.3. Resultaten Modellering . . . 18

V.2. Aanbrengen ammoniaksysteem . . . .. . . . . . .. 20 V.2.1. Opslagvat . . . .. . . 20 V.2.2. Leidingensysteem . . . . . . . . . . . . .. 20 V.2.3. Pomp . . . . . . . . . . . .. 21 V.2.4. Injectiesysteem . . . . . . . .. 21 V.3. Ventilatoren . . . ... . .... 23 V .4. Procesregeling . . . 23 V.5. Veiligheid .... .. . . 24

VI. Massa- en Warmtebalans . . . 27

VII. Overzicht Specifieke Apparatuur . . . . . . . . . . . .. 31

VII. 1. Apparaatlijst voor Luvo als luchtvoorverwarmer .. 31

VII.2. Apparaatlijst voor SeR-Luvo en opslagvat . . .... 32

VII.3. Apparaatlijst voor ammoniakpomp en ventilatoren . . . 32

VIII. Economische Aspecten. . . . . . . . . . . . . . . . .. 33

VIIl.l. Omzettingsafhankelijke kosten . . . . . . . 34

VIII.l.l. Kosten ammoniak . . . . . .. 34

VIII.I.2. Electriciteitskosten ammoniakpomp .... 34

VIII. 1.3. Totale omzettingsafhankelijke kosten ... 34

VIII.2. Investeringskosten . . . . . . . . . . . . . . .. 35

VIII.2.l. Fixed capital kosten .. . . ... . ... 35

VIII.2.2. Kosten niet tastbare zaken. . . . . .. 37

VIII.2.3. Kosten werkkapitaal, voorraden, cash en terreinen . . . . . . . .. 37

VIII.2.4. Totale investeringskosten . . . 38

VIII.3. Loonkosten ... . .... .... . . .. .. 38

VIII. 3 .1. Bepaling aantal benodigde extra personen . . . 38

VIII.3.2. Totale loonkosten. . . . . . . . . .. 38

Katalytische Luvo voor DeNO_x Inhoudsopgave

VIlI.4. Totale investeringskosten exclusief afschrijvingen

en rentekosten. . . . . . . . . . . . . . . . .. 39 VIII.5. Afschrijvingen en rentekosten . . . ... .. .. . 39 VIII.6. Totale kosten inclusief afschrijvingen

rentekosten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 VIll.7. Totale kosten per kWh . . . .. . . ... . .. . 40

IX. Symbolenlijst 41

X. Literatuuroverzicht . . . . . . . . . . . . . . . . .. 43

- - - --- -

-Katalytische Luvo voor DeNOx

Index

A

Bijlagen

1 Aannamen modellering Luvo

2 Modellering Luvo: Constanten en uitgangspunten 3 Modellering Luvo: Warmtebalansen

4 Modellering Luvo: Massabalansen

5 p en Cp van het rookgas en de verbrandingslucht 6 Ontwerp parameters van de Luvo

7 Bepaling opvoerhoogte ammoniakpomp 8 Berekening vermogen ventilatoren 9 Fysische constanten NH₃

10 Verbranding aardgas met 5% overmaat zuurstof 11 Cp en ~H voor W &M balans

Index

12 Listing Turbo Pascal programma voor simulatie SCR-Luvo

B

Figuren

1 Eenvoudig proceschema van de katalytische Luvo . . . . .. 5

2 De Ljungström Luchtvoorverwarmer . . .. . . 6

3 Reactie schema voor de overall reacties aan de katalysator 9

4 Opengewerkte Luvo met de warmte-uitwisselingselementen 11

5 Schematische voorstelling van de werking van een Luvo 12

6 Modellering van één sector . . . . 13

7 Tank in serie model (voor de gasfase) ... . ... ... 13

8 Eén tank nader bekeken ... . .. . ... . . . 14

9 Rookgastemperatuursprofiel over warme sector van Luvo . 18

10 Matrixtemperatuursprofiel over warme sector van Luvo . . 18

11 NO_x concentratieprofiel over warme sector van Luvo . . . . 19

12 NH₃ concentratieprofiel over warme sector van Luvo .. .. 19

13 NH₃ Injectie Systeem . . . . . . . . . . . . . . . .. 22

14 Procesregeling NH₃ Injectie Systeem ... . . .. ... .... 24

15 Processchema van de katalytische Luvo ... . ... .. . 27

16 Investeringsopbouw van een Nederlandse fabriek .. . .. 35

Katalytische Luvo voor DeNOx Index

eTabellen

I Oorzaken vorming NOx . . . . 1 II Samenstelling aardgas . . . . .... . . 4 III Samenstelling rookgas . . . 4

IV Ontwerp parameters Luchtvoorverwarmer . . . . . . . .. 12 V Weerstandsgetallen van de diverse appendages . . . . . .. 21 VI Prijsopgave benodigde investeringen . . . 36

Oorzaak

tabel I

Oorzaken vorming NO_x

Verbranding van fossiele brandstoffen Verbranding van biomassa

Onweer Stratosfeer

Oxidatie van ammonia

r) r 0/0 28 - 44 40 - 57 8 3 - 5 1 - 5 r r

Katalytische Luvo voor DeNOx Inleiding

I.

Inleiding

Grote hoeveelheden fossiele brandstoffen, zoals olie, gas en kolen worden verbrand om in de nog steeds toenemende energie behoeften

te kunnen voorzien.

Bij deze verbranding ontstaan verontreinigingen die vervelende

eigenschappen hebben voor mens en milieu. Naast het ontstaan van

vliegas en stof worden grote hoeveelheden zwavel- en stikstofoxyden

gevormd die, wanneer ze niet verwijderd worden, in het milieu terecht

komen.

De vorming van NO_x heeft een aantal oorzaken. Deze oorzaken staan

weergegeven in tabel I. In deze tabel staat in procenten aangegeven in

welke mate deze oorzaak bijdraagt aan de luchtverontreiniging.

Totaal wordt 35 tot 58.106 ton NO_x per jaar gevormd. Eén van de

belangrijkste bronnen is de verbranding van fossiele brandstoffen.

Binnen deze groep zijn met name het weg- en luchtverkeer en de

industriële verbranding van fossiele brandstoffen verantwoordelijk

voor de vorming van stikstofoxyde.

Stikstofoxyden worden vaak beschreven als NO_{x '} Onder NO_x vallen

zeven oxyden, te weten NO, N02, N03, N20, N203, N204, en N20s.

De verbrandingsgassen van fossiele brandstoffen bevatten echter

hoofdzakelijk NO en N0₂. Hierin is het aandeel van NO zelfs 95%,

zodat men vaak alleen NO in ogenschouw neemt als het over NO_x

gaat.

NO_x kan op drie verschillende manieren worden gevormd in de

verbrandingsgassen:

• Thermisch

• Verbranding

• Prompt

Thermische NO_x wordt gevormd door de fixatie van atmosferische

stikstof. Bij verbrandings NO_x wordt de NO_x gevormd door de

verbranding van in de brandstof aanwezige stikstof bevattende

I ~,

v

Katalytische Luvo voor DeNOx Inleiding

componenten. De NOx die gevormd wordt door oxydatie van HeN

noemt men prompt NO_{x '} Aangezien in dit fabrieksvoorontwerp wordt

uitgegaan van een op aardgas gestookte electriciteitscentrale zal er in

dit geval alleen thermische NOx vorming plaatsvinden.

NO_x emissies kunnen zowel door primaire- als secundaire maatregelen

gereduceerd worden. Onder het motto "voorkomen is beter dan

genezen" zullen de primaire maatregelen de voorkeur verdienen. Een

aantal primaire maatregelen is:

• Injecteren vàn stoom of water in de verbrandingskamers om de

piektemperatuur te verlagen hetgeen resulteert in een lagere

NOx emissie. .

• Het laten circuleren van de verbrandingsgassen reduceert de

NO_x productie met 20 tot 50% omdat de vlam-temperatuur

wordt verlaagd door het mengen van het gas met de

verbrandingslucht. Deze techniek verlaagt vooral de vorming

van thermische NOx '

• Uit onderzoek aan de faculteit Natuurkunde van de T.U. Delft

blijkt dat de vorming van NO_x afhankelijk is van een aantal

factoren zoals de hoek waaronder het aardgas en de

verbrandingslucht worden geïnjecteerd in de verbrandingskamer

en de snelheid waarmee dit gebeurt. Het optimaliseren van deze

factoren kan ook gezien worden als een primaire maatregel. Naast de primaire maatregelen zijn er de 'end of the pipe' oftewel de secundaire maatregelen die toegepast kunnen worden voor verdere

verwijdering van NOx uit de rookgassen. Voorbeelden van secundaire

maatregelen zijn:

• Selectieve niet-katalytische reductie (SNCR).

Dit is een thermisch proces waarbij NOx selectief gereduceerd

wordt tot N₂ en H20 door NH3. Nadeel van deze techniek is het

smalle temperatuursgebied ( 850 - 1050 °C) waarbij deze

reactie effectief is. Een ander nadeel van deze techniek is de

grote hoeveelheid NH3 waarmee gewerkt wordt in verband met

eventuele ammonia lekkages en zoutvorming.

• Een relatief nieuwe methode is de selectieve katalytische

reductie (SCR) van NOx met NH3. Voor deze methode wordt

sinds de jaren zeventig al onderzoek verricht naar een geschikte katalysator. Deze is gevonden in de vorm van Vanadiumoxyde

. J

Katalytische Luvo voor DeNO_x In1eiding

(V 205) met als drager Titaanoxyde (Ti02). Het zal duidelijk zijn dat bij het ontwerp van nieuwe

electriciteitscentrales voornamelijk met behulp van primaire

maatregelen geprobeerd zal worden om de NO_x uitstoot tot een

minimum te beperken. Zijn de eisen heel erg streng dan zal eventueel

ook gebruik gemaakt moeten worden van secundaire maatregelen om

de wettelijke NO_x uitstoot norm te halen. Tevens is het mogelijk dat

reeds bestaande fabrieken aan deze norm moeten voldoen. In dit geval

kan worden besloten gebruik te maken van SCR technieken.

De selectieve katalytische reductie van NO_x met NH₃ wordt al op

grote schaal toegepast om NOl{ emissies van electriciteitscentrales te

reduceren. Bij de conventionele SCR technologie wordt de katalysator

in een aparte reactor geplaatst. Volgens Kotter [16] heeft deze reactor

een groot volume, 1 à 2 m3 per MW, nodig. Bij reeds bestaande

centrales kan dit grote volume een nadeel vormen omdat er bij het

bestaande ontwerp geen plaats voor de reactor is.

Dit probleem kan vermeden worden door gebruik te maken van de Ljungström luchtvoorverwarmer van de electriciteitscentrale. De warmtewisselende elementen uit de Luvo, metalen platen met grote

oppervlakten, kunnen worden bedekt met een dunne katalysatorlaag .

Op deze wijze werkt de luchtvoorverwarmer dan simultaan als warmtewisselaar en als SCR reactor.

In dit fabrieksvoorontwerp zal worden bekeken of het technisch en economisch haalbaar is om met behulp van een tot SCR reactor

omgebouwde Luvo de NOl{ uitstoot te beperken tot de wettelijk

gestelde nórmen.

Uitgangspunt in dit FVO is het rookgas dat afkomstig is van een

bestaande op aardgas gestookte 223 MW elektriciteitscentrale. Het

aardgas wordt verbrand met een overmaat van 5% zuurstof. Deze

centrale stoot 200 Nm3/s rookgas uit met een NOl{ concentratie van

500 ppm.

1-

-tabel 11

Samenstelling aardgas

Component Vol. Mol.

% % C₂

H

4 81,30 81,29 C₂H₆ 2,85 2,87 C3Hs 0,37 0,38 C₄H_1O 0,14 0,15 C_SH₁₂ 0,04 0,04 C₆H₁₄ 0,05 0,05 N₂ 14,35 14,32 O₂ 0,01 0,01 CO2 0,89 0,89 tabel 111

Samenstelling rookgas

Component

I

Vol. %

I

N₂ 71,9281 O₂ 0,8997 Ar 0,8391 CO2 9,1737 H₂0 17,1595 NOs: 500 ppm r r Gew. % 69,97 4,63 0,90 0,47 0,16 0,23 21,52 0,02 2,10 Î

r

J

Katalytische Luvo voor DeNOx Uitgangspunten Ontwerp

11.

Uitgangspunten Ontwerp

Bij het maken van dit fabrieksvoorontwerp is uitgegaan van een electriciteitscentrale die een vermogen levert van 223 MW.

De centrale wordt gestookt op aardgas dat een samenstelling heeft zoals weergegeven is in tabel Il. Het aardgas wordt verbrand met 5% overmaat aan zuurstof. Het rookgas dat bij de verbranding wordt geproduceerd, 200 Nm3/s, heeft de samenstelling zoals die is weergegeven in tabel 111.

Omdat de centrale op aardgas wordt gestookt, wordt er geen S02 of S03 gevormd en ontstaat er geen vliegas.

De temperatuur van het rookgas voordat het de luchtvoorverwarmer ingaat bedraagt 390

oe.

De temperatuur van de ingaande luchtstroom, aan de koude kant van de Luvo is 20 °C.

De temperatuur van de uitstromende verbrandingslucht bedraagt gemiddeld 345 °C, terwijl het gezuiverde rookgas na de

luchtvoorverwarmer gemiddeld een temperatuur heeft van 150

oe.

De druk waarbij gewerkt wordt is 1 bar.

Op dit moment stoot de electriciteitscentrale volgens KEMA [2]

rookgas uit met een NO_x concentratie van 500 ppm. De laatste

wettelijke normen voor de uitstoot van NOxbedragen 200 mg/m3. Na

installatie van de katalytische activiteit in de luchtvoorverwarmer dient de concentratie NO_x in het rookgas lager te zijn dan de wettelijke norm.

De NH3 slip is de hoeveelheid NH3 die niet heeft gereageerd met het NO_{x en dus met het rookgas wordt uitgestoten. Deze NH3 slip moet} lager zijn dan 5 ppm. De fysische constanten van het gebruikte

ammoniak staan vermeld in bijlage 9.

De katalysator die volgens Bosch [14] gebruikt moet worden is een Ti02 skelet met daarop aangebracht 3.42 wt._{% V20}S'

- -

-Ketel

-- ~

-figuur 1

Eenvoudig proceschema van de katalytische Luvo

_ _ _ .... _ _ . . . . ...,.,1--... Gezuiverd Rookgas Ç=:= lucht r r Î Î

Katalytische Luvo voor DeNO_x Beschrijving Proces

111.

Beschri,jving Proces

De op gas gestookte electriciteitscentrale voldoet op dit moment niet aan de gestelde wettelijke eisen op het gebied van de uitstoot van stikstofoxyden (NOx). Het idee bestaat om de uitstoot te verlagen met

behulp van selectieve katalytische reductie (SeR). Door ruimte gebrek

in de bestaande installatie is er geen plaats om een aparte SeR reactor

aan te leggen. Het idee bestaat om de bestaande luchtvoorverwarmer

(Luvo) te gebruiken als SeR.

Het principe van SCR reactoren berust op de omzetting van

stikstofoxyden naar stikstof met behulp van een selectief

reductiemiddel, in dit geval ammoniak. De omzetting vindt plaats volgens:

(1)

(2)

Over het algemeen is het aandeel NO groter dan 95%, zodat gesteld kan worden dat alleen reactie 1 van belang is. Dit betekent dat voor

een volledige omzetting van NOx een equimolaire hoeveelheid NH3

aan de rookgasstroom moet worden toegevoegd. Doordat de reactie

nooit volledig zal verlopen zal er altijd sprake zijn van enige NH₃

slip. Om aan de wettelijk gestelde eis van een maximale uitstoot van 5

ppm NH₃ te kunnen voldoen wordt er met een verhouding van NH₃ en

NOx gewerkt van:

~ 0.95

Het vereenvoudigde processchema van de electriciteitscentrale met katalytische luchtvoorverwarmer staat weergegeven in figuur 1.

(3)

Lucht wordt door middel van een verbrandingsluchtventilator aangezogen en aan de onderkant van de luchtvoorverwarmer

ingebracht met een temperatuur van 20°C. Deze lucht wordt door de

- ---

---"

) r r figuur 2 De Ljungström Luchtvoorverwarmer Wann Rookgas

,

r Koude Lucht Î

Katalytische Luvo voor DeNOx Beschrijving Proces

Luvo opgewarmd tot ongeveer 345°C.

In de ketel wordt het gas met deze warme lucht verbrand. Het rookgas

dat hierbij ontstaat heeft na de warmtewisselingsbanken van het fornuis een temperatuur van 390°C. Door de verbranding heeft het

rookgas een NO_x concentratie van 500 ppm gekregen. Aan dit rookgas

wordt zoveel ammoniak toegevoegd als nodig is om de in formule (3)

genoemde verhouding van NH₃ en NO_x te laten ontstaan. Hierna

stroomt het rookgas door de Luvo heen waarbij de temperatuur daalt

tot 150°C en de NO_x concentratie daalt tot onder de wettelijke norm

van 200 mg NO_x per Nm3

.

Doordat de electriciteitscentrale op gronings aardgas wordt gestookt

bevat het rookgas geen S02 en wordt er geen vliegas gevormd.

Hierdoor hoeven geen andere zuiveringen plaats te hebben.

Het hart van het DeNO_x systeem wordt gevormd door de katalytische

luchtvoorverwarmer. Deze regeneratieve warmtewisselaar staat

weergegeven in figuur 2 en werkt als volgt:

De Ljungström luchtvoorverwarmer, de Luvo, is een roterende

cilinder waarin zich metalen platen bevinden. Lucht en rookgas

stromen in tegenovergestelde richting door de twee helften van de Luvo.

Tijdens het roteren van de cilinder wordt er warmte overgedragen van het rookgas aan de lucht. Dit gebeurt doordat het rookgas de metalen platen in de Luvo verwarmt, waarna deze opgewarmde platen langzaam de koude sector in draaien en daar de

opgenomen warmte weer afgeven aan de koude lucht. Hierna draaien de afgekoelde platen de warme sector in om wederom opgewarmd te worden.

Door deze rotatie zijn de platen afwisselend met rookgas en lucht

in contact. Er ontstaat dus een temperatuur profiel over de Luvo.

Doordat de platen zijn bedekt met een laagje katalysator, en de omzettingskinetiek afhankelijk is van de temperatuur ontstaat er

ook een concentratieprofiel over de Luvo.

De ammonia, die met de NO_x reageert wordt aan het te reinigen

rookgas toegevoegd. Op deze manier werkt alleen dat gedeelte

van de cilinder waar het rookgas door stroomt als ·SeR reactor.

Uitgaande van de bestaande electriciteitscentrale moeten de volgende

Katalytische Luvo voor DeNOx Beschrijving Proces

aanpassingen worden gedaan om de NOx concentratie terug te

dringen:

• De warmtewisselende platen moeten worden vervangen door

platen waar tevens een laagje katalysator op is aangebracht.

• De opslag, de pomp, het injectiesysteem en de regeling voor de

ammoniak moeten worden aangebracht.

Naast de NH₃ slip moet ook rekening worden gehouden met de

vorming van (explosieve) ammoniumnitraten. Dit zout kan worden

gevormd op plaatsèn die een temperatuur hebben die lager is dan

l30°C. Ter voorkoming van dit probleem wordt ervoor gezorgd dat de

uitgaande rookgasstroom rond de 150°C ligt.

De flexibiliteit van het DeNOx systeem wordt bewerkstelligd door de

procesregeling van het ammoniak systeem. Deze zorgt ervoor dat er

bij zowel vol- als deellast gewerkt kan worden.

Bij het in bedrijf stellen moet voordat het DeNOx systeem in werking

gesteld mag worden eerst de luchtvoorverwarmer op temperatuur zijn. Dit is noodzakelijk ter voorkoming van explosieve ammoniumnitraten

en ter voorkoming van een te lage omzetting en dus een te hoge NH₃

slip.

'.-'

Katalytische Luvo voor DeNO_x Procescondities

IV

lVi.

Procescondities

Gestelde eisen aan de katalysator

De katalysator, die op de warmtewisselende platen van de

luchtvoorverwarmer wordt aangebracht moet ervoor zorgen dat de

afbraak van NO_x zo voorspoedig mogelijk verloopt. De eisen waaraan

de gebruikte katalysator dient te voldoen zijn de volgende: •

•

•

•

•

De gebruikte katalysator moet een hoge activiteit vertonen bij

een geringe NH₃ slip. De maximaal toegestane waarde voor de

concentratie van de NH₃ aan het uiteinde van de reactor

bedraagt 5 ppm.

Het NH₃ gebruik moet laag zijn. Dit betekent dat de katalysator

selectief moet zijn en niet de ook aanwezige O2 mag omzetten.

Voor een katalysator is de concentratie NH₃ optimaal wanneer

de verhouding NH/NO_x zo ingesteld is dat bij een zo klein

mogelijke NH₃ slib een zo groot mogelijke NO_x omzetting

plaatsvindt.

De katalysator moet thermisch en mechanisch stabiel zijn. Dit is van belang voor de levensduur van de katalysator omdat de katalysator op bewegende platen aangebracht wordt die een

cyclisch temperatuursgebied doorlopen.

Voorwaarde voor deze toepassing van het aanbrengen van de katalysator op de warmtewisselende platen is dat het

katalysatorlaagje goed warmte-geleidend is, zodat de warmtewisselende werking van de Luvo niet afneemt.

Omdat de katalysator direct in de Luvo wordt aangebracht dient zij een hoge conversie te vertonen in het temperatuur traject

van 150

oe

tot 400

oe

.

Dat de gekozen katalysator hieraan

voldoet staat uitvoerig beschreven in diverse literatuur

[1 ][2][12 ][14][16].

De katalysator die aan alle hierboven genoemde eisen voldoet wordt

beschreven door Bosch [14]. De katalysator bestaat uit een Ti0₂ skelet

met daarop aangebracht 3.42 wt.% V₂0_S' Het aanbrengen van deze

katalysator op de platen van de Luvo wordt beschreven door Neufert

-figuur 3

Reactie schema voor de overall reacties aan de katalysator

Reduction of surface sites

...

~It.~ 0 0 0 0 OH _ONH2 11 11 11 11 I I NH • V V

-

V V

-

V V 3 !\ !\ !\ !\ !\ !\ ONH2 I 2 V

-

2 V + R R + 2 H,O !\ !\ OH OW!, I I v v

-

2 V IfNO

.

H,0 !\ !\ !\

Reoxidation of reduced surface sites

0 0 11 11 0

.

_{v v _ v V} 2 _{!\ !\} !\ 1\ ON

.,

0 0 2

v

_

I

J

11 11 2 NO • V

-

V V

.

N 1\ 1\ 1\ fast _{1\ 1\} 2 ONH2 0 I _V NO + V

-

+ N N + H₂0 !\ !\

Other surface reactions

ON 0 ₀

.,

₀ I 11 _{!! I !!} v v

-

_{v v}

-

_{v v • NO} !\ !\ fa.et _{!\ 1\} fast _{!\ !\} OH 0 0

..

I I1 I1

_J

v v _ v !\ !\ !\ 1\ Î OH OH 0 I I 11 v v _ v v + H 20 1\ !\ 1\ 1\ Overall reactions (~

Katalytische Luvo voor DeNOx Procescondities

IV2.

IV.

3.

en Zürbig [19]. De katalysator heeft een dichtheid van 4000 kg/m3 en de dikte van de aangebrachte laag op de wamtewisselende matrix van de Luvo bedraagt volgens Bosch [14] 50 ~m.

Reactiemechanisme

Het reactiemechanisme van de omzetting van NO_x door NH₃ aan het katalysator oppervlak is weergegeven in figuur 3, en afkomstig van Bosch [14).

In het KEMA rapport [2] staat de kinetiek van de katalytische denitrificatie beschreven, met de volgende overall reactie:

Kinetiek

(4)

In het KEMA rapport [2 J worden de kinetiekparameters experimenteel bepaald.De reductie reactie is temperatuur afhankelijk, en de

omzettingssnelheid kan worden weergegeven met:

r = k . [NO] . _K_A_' _[N_H_J_

o s 1 + KA' [NHJ

(5)

met:

ks

ko"

exp

(-E.

1

R·T

(6) en: KA =

KO "

_{exp (}

ili~

1

R·T

(7) waann:

_ko

=

19.196 [mis] E_A

=

33.02.103 [kJ/kmoIK]

Ko

=

84.9.103 [-]

tJ-I_ads

=

13.3.103 [kJ/kmoIK]

Katalytische Luvo voor DeNOx Procescondities

IV4.

Deze omzettingsnelheidsvergelijking (5) geldt voor een temperatuur

traject van 250

oe

tot 400

oe.

Bij het modelleren van de

luchtvoorverwarmer als reactor wordt ervan uitgegaan dat deze kinetiek parameters, zij het met een kleine afwijking, ook nog bij

lagere temperaturen gebruikt kunnen worden.

Aangezien het feit dat de omzetting bij een lagere temperatuur dan

250

oe

toch lager is dan bij een hogere temperatuur is de eventueel

geïntroduceerde afwijking die hierdoor optreedt minimaal.

Tevens wordt er van uitgegaan dat de katalysator dezelfde temperatuur heeft als de warmtewisselende platen van de Luvo waarop deze is aangebracht, en dat de warmte-uitwisseling met- en zonder katalysator

hetzelfde is.

Temperatuur en druk

Druk en temperatuur zullen naar wordt aangenomen niet verschillen

van de oude situatie waarbij de Luvo niet als SeR wordt gebruikt.

Op het ammoniak injectie systeem na werkt alle apparatuur bij

atmosferische druk. Over de Luvo is een kleine drukval van 2.5 mbar,

zodat ventilatoren gebruikt moeten worden om het rookgas te

verwijderen en de verbrandingslucht door het systeem te trekken.

Het ammoniak injectie systeem dient op hoge druk gehouden te worden, 20 bar, omdat dit het uitgangspunt is van het door

Flockenhaus [4] voorgestelde injectiesysteem.

Het temperatuurstraject waarbij de gebruikte katalysator NO_x

maximaal omzet is het traject van 400

oe

naar 250

oe.

Het rookgas

koelt echter af van 390

oe

naar 150

oe.

De hierdoor eventueel

geïntroduceerde fout is -zoals eerder vermeld- niet groot.

De verbrandingslucht wordt gelijktijdig opgewarmd van 20

oe

naar

345

oe

.

Verwacht mag worden dat de reactiewarmte van de omzetting van de

NO_x met NH₃ verwaarloosbaar klein is, aangezien het slechts om 500

ppm gaat.

figuur 4

Opengewerkte Luvo met haar wannte-uitwisselingselementen

r) , -, r' r ("

Katalytische Luvo voor DeNOx Motivatie Gekozen Apparatuur

V.

Motivatie Gekozen Apparatuur

Vl.

Katalytische Luva

v.J.J.

V.l.l.I.

Het hart van het proces wordt gevormd door de katalytische Luvo. Dit

apparaat is zowel een luchtvoorverwarmer als een SCR reactor. In het onderstaande worden deze twee verschillende functies apart

beschreven.

Luchtvoorverwarmer

Werking

In processchema's van de electriciteitscentrales zijn in het algemeen

luchtvoorverwarmers te vinden. Het doel van deze

luchtvoorverwar-mers is om het warme rookgas uit de ketel af te koelen, en met deze

energie de koude verbrandingslucht op te warmen. Hoe meer warmte wordt uitgewisseld hoe meer energie er bespaard wordt dus hoe

eco-nomischer het proces.

Het probleem bij warmteuitwisseling tussen gasstromen is het feit dat de warmteoverdrachtscoëfficiënten zeer laag zijn, zodat de warmtewis-selaar een zeer groot warmtewisselend oppervlak per volume-eenheid nodig heeft. Het grote warmteuitwisselende 'oppervlak van de

Ljungström luchtvoorverwarmer is duidelijk te zien in figuur 4. Deze luchtvoorverwarmer wordt dan ook vaak toegepast.

Het warmteuitwisselend oppervlak van de Ljungström luchtvoorver-warmer komt afwisselend in contact met de koude en de warme gas-stroom. Dit betekent dat deze warmtewisselaar tot de categorie van de

regeneratieve warmtewisselaars behoort. Doordat de verbrandingslucht

en het rookgas in tegenstroom door de Luvo heen stromen, is het

mogelijk om de verbrandingslucht tot zo'n 20°C [23] onder de

tempe-ratuur van het ingaande rookgas op te warmen. De

luchtvoorverwar-mer kan zowel horizontaal als verticaal draaiend worden geleverd. In

dit fabrieksvoorontwerp wordt uitgegaan van een horizontaal draaiende rotor.

-

-figuur 5

Schematische voorstelling van de werking van een Luvo

Katalytische Luvo: afbeelding Sector

Sector

tabel IV

Ontwerpparameters Luchtvoorverwarmer

Parameter Symbool

Warmtestroom Q

Warmte uitwisselend oppervlak Au Opp./volume verh. pakketten AN

Volume Luvo V Drukval Luvo ~p -Waarde 130 [MW] 17637 [m2] 478 [m-1_] 36.9 [m3] 2.5 [mbar] r r r ,r-r r

Katalytische Luvo voor DeNO_x Motivatie Gekozen Apparatuur

In figuur 5 staat de werking van de Luvo schematisch weergegeven.

De luchtvoorverwarmer is opgedeeld in een aantal secties. In deze

secties zijn de warmteuitwisselende delen als pakketten aangebracht.

De pakketten bestaan uit een matrix van metalen platen. Het geheel

van al deze pakketten wordt in dit fabrieksvoorontwerp aangeduid als trommel of matrix. Door het langzaam roteren van de trommel komen de pakketten afwisselend in de warme en de koude sector terecht. In de warme sector worden de pakketten opgewarmd door het warme

rookgas. In de koude sector staan de pakketten de opgenomen warmte

weer af aan de koude verbrandingslucht. Op deze wijze ontstaat er in de Luvo een temperatuursprofiel over de hoogte en over de (rond-draai)tijd.

Economisch gezien is het gunstig om de Luvo zodanig te ontwerpen dat de temperatuur van de uitgaande rookgasstroom zo laag mogelijk

is. Men moet echter met de volgende beperkende factoren rekening

houden:

• De temperatuur van de warmtewisselende platen mag niet onder de maximale dauwtemperatuur komen van de elementen uit het

rookgas. Hierbij moet vooral worden gelet op de vorming van het

zeer corrosieve zwavelzuur.

• Het minimale temperatuursverschil tussen rookgas en lucht is 20

oe

[23].

Aan het eerste punt kan op twee manieren worden voldaan:

• Verhoging van de temperatuur van de ingaande verbrandings

-lucht. Dit kan geschieden door stoom-lucht voorverwarming of door recirculatie van hete lucht.

• De Luvo moet zodanig werken dat de temperatuur van het

uitgaande rookgas niet onder de 150

oe

komt.

Methode twee wordt het meest toegepast. Deze methode heeft als voordeel dat de temperatuur van de warmtewisselende platen in de

koude sector boven de 130

oe

ligt, zodat er geen gevaar bestaat voor

de vorming van (explosieve) ammoniumnitraten.

Een berekening van het benodigde warmteoverdragende oppervlak

(zie bijlage 6) levert de parameters volgens tabel IV. Volgens

Saunders [22] is de drukval over de Luvo in het algemeen laag:

Sector

figuur 6

Modellering van één sector

•

_•

Buis

Tank

in

serie model

figuur 7

Tank in serie model (voor de gasfase)

Matrix

_GasfÇlSe

Tank 1

Tank 2

Etc.

r r r

I J

Katalytische Luvo voor DeNOx Motivatie Gekozen Apparatuur

V.J.J.2.

2.5 mbar. Aangenomen wordt dat de drukval over de hier gebruikte

Luvo 2.5 mbar bedraagt.

Modellering

De Luvo wordt opgedeeld in een aantal sectoren, waarbij één van

deze sectoren wordt gevolgd tijdens een ronddraaicyclus. Wordt naar

één bepaalde punt op een bepaalde hoogte van deze ronddraaiende sector gekeken dan zullen het gas en de matrix op dat punt tijdens het ronddraaien telkens een andere temperatuur hebben. Na precies één rondwenteling echter zullen het gas en de matrix - in het geval van een steady state - op die bepaalde hoogte en plaats exact dezelfde temperatuur hebben als bij de vorige rondwenteling.

Op het moment dat er gekeken wordt naar één sector die ronddraait

kan gesteld worden dat het systeem tijdsafhankelijk is.

De sector die al ronddraaiend wordt gevolgd wordt beschouwd als een ronde buis, waarbij wordt aangenomen dat de dwarsdoorsneden van

de sector en de buis aan elkaar gelijk zijn. Op zijn beurt kan de buis

weer worden gemodelleerd door een aantal tanken in serie. Per tank

kan nu de gas en matrix temperatuur worden uitgerekend. Op deze

manier wordt in feite één dimensie gediscretiseerd: de hoogte.

Hier-door blijft de tijd als enige onafhankelijke variabele over. De model-lering van één sector is schematisch weergegeven in figuur 6 en wordt

uitgebreider besproken in bijlage 1.

Bij het discretiseren van de hoogte is het van belang om het aantal

discretisatiepunten vast te stellen. Aangezien de matrixtemperatuur

over de hoogte ongeveer 200

oe

verschilt, en de precieze temperatuur

van de matrix belangrijk is voor de uiteindelijke kinetiek van de

De-NO_x reactie die plaatsvindt op het katalysator oppervlak op de matrix,

is er voor gekozen om een groot aantal tanken (100) te gebruiken, om op deze wijze zeker te weten dat met een betrouwbare

matrixtempe-ratuur wordt gerekend. Dit grote aantal tanken houdt echter impliciet

in dat de buis als (redelijk) ideaal wordt beschouwd.

Voor de werking van de Luvo als luchtvoorverwarmer is de

warmte-balans over één tankje van belang. In figuur 7 is te zien dat voor de

gasfase gebruik wordt gemaakt van het tank-in-serie model, maar dat voor de matrix geen interactie optreedt met de matrix vóór en ná de beschouwde tank. Dit betekent dat de geleiding in de matrix wordt verwaarloosd ten opzichte van de uitwisseling tussen gas en matrix

figuur 8

Eén tank nader bekeken

<l>m

_,gas,m

.

Tgas.in

Tankn

Tmatrix

<l>m,

_gas,mt

.

,r-. Tgas,uit r r î Î

v

Katalytische Luvo voor DeNO_x Motivatie Gekozen Apparatuur

[14].

In figuur 8 wordt één tank nader bekeken en worden ~m, T gas en T matrix

voor de in- en uitgaande stromen gedeclareerd. Aangezien het ideale

tanken betreft zijn de temperaturen (en concentraties) in de uitgaande stroom gelijk aan de temperaturen (en concentraties) in de tank zelf. Op grond van figuur 8 wordt de warmtebalans over een tank

opge-steld. Deze warmtebalans kan zowel voor de warme als de koude

sector gebruikt wor,den, waarbij de ingaande stromen qua grootte,

temperatuur en gas eigenschappen voor beide sectoren verschillend zullen zijn.

De massastroom, cl>m,gas die de tank instroomt is gelijk aan de totale

massastroom, cl>m,gas,totaal gedeeld door het aantal sectoren N waarin de

warme C.q. de koude sector wordt verdeeld.

In bijlage 3 zijn de warmtebalansen voor de gasfase en de matrix uitgewerkt. Door het gebruik van het tank-in-serie model zijn de

balansen gereduceerd tot differentiaal vergelijkingen naar de tijd.

Voor de gasfase levert dit als vergelijking:

Hierin is:

c

₁ = cP m,gas,tot • S

en

A H

Voor de matrix geldt:

dT_matrix dt V Tilir Tilir Cp,gQ3 ·Pgas H·2 - - - ·(T gas.uit - T matrix) D . p matrix • C p,JMtrix (8) (9) (10)

In het Turbo Pascal computerprogramma wordt een begin schatting

v

Katalytische Luvo voor DeNOx Motivatie Gekozen Apparatuur

voor de gas- en matrix-temperaturen over de hoogte (dus per tankje) van de Luvo aangenomen en wel op het moment dat de sector de warme sector van de Luvo binnen draait.

Vervolgens wordt met de genoemde differentiaalvergelijkingen eerst de warme sector doorgerekend, gevolgd door de koude sector. Aan het eind van de koude sector zal het berekende temperatuursprofiel moeten overeenkomen met de beginschatting. Is dit -binnen de gestel-de nauwkeurigheid- niet het geval dan wordt het berekengestel-de tempera-tuursprofiel de nieuwe beginschatting, en worden de berekeningen nog een keer uitgevoerd. Dit herhaalt zich totdat de gewenste nauwkeurig-heid is bereikt. Deze beginschatting van het temperatuursprofiel wordt

tenslotte bewaard.

Op het moment dat het temperatuursverloop over hoogte en rond-draaitijd benodigd is wordt de bewaarde beginschatting als

uitgangs-punt genomen. Door telkens het temperatuursprofiel over de hoogte

om de ~t seconde weg te schrijven, kan het temperatuursverloop over

de Luvo gevolgd worden.

V.1.1.3. Ontwerp

Bij het ontwerp van de warmtewisselende capaciteit is ervan uitgegaan

dat het rookgas wordt afgekoeld van 390

oe

tot 150

oe.

Met een

iteratieve procedure is in bijlage 6 bepaald dat het rookgas onder deze

omstandigheden dan opwarmt van 20

oe

tot 345

oe

.

Met

onderstaan-. de formules kan volgens Saunders [22] vervolgens het benodigde

warmteuitwisselende oppervlak bepaald worden:

A

_u

=

Q

Met een L\T1n= 198 K, en een volgens Kotter [16] ~= 50 W/m

2

K

(11)

(12)

Katalytische Luvo voor DeNO_x Motivatie Gekozen Apparatuur

V.l.2.

V.1.2.l.

wordt voor het benodigde oppervlak gevonden A = 17637 m2.

Vol-gens Kotter [16] geldt AN = 478, zodat hiermee als benodigd volume

wordt gevonden: V = 36,9 m3.

Op grond van deze berekening wordt aangenomen dat de bij de elec-triciteitscentrale aanwezige luchtvoorverwarmer een hoogte heeft van

2 m en een straal van 2,5 m.

Als verdere aanname wordt genomen dat de ronddraaitijd van de Luvo een halve minuut is, en dat de warme en koude sector beide even groot zijn. De gebruikte ontwerpparameters van de katalytische Luvo

als luchtvoorverwarmer staan tevens vermeld in bijlage 6.

seR

reactor

Werking

In dit fabrieksvoorontwerp wordt de geschiktheid onderzocht van het gebruik van de luchtvoorverwarmer als SCR reactor. Er is een aantal voordelen van het aanbrengen van katalytische activiteit in de Luvo

ten opzichte van het aanleggen van een aparte SCR reactor:

• Er wordt minder ruimte in beslag genomen • De drukval is lager

• Men heeft niet de kosten van een extra reactor

Als nadelen kunnen gezien worden:

• Er is minder ervaring op het gebied van katalytische Luvo's

• De Luvo heeft 2 keer zoveel katalysator nodig, aangezien de

katalysator alleen in de warme helft werkzaam is.

• Er heerst een temperatuursprofiel in de Luvo, zodat de optimale

temperatuur voor de omzetting van NO_x nooit precies bereikt

wordt, maar altijd met een bepaalde bandbreedte varieert.

Uitgaande van een bestaande Luvo zal naast het aanbrengen van het ammoniakinjectiesyteem ook de katalysator moeten worden aange-bracht op de matrix alvorens de Luvo geschikt zal zijn. voor het

ver-wijderen van NOx' Volgens Bosch [14] bestaat de katalysator uit een

skelet van Ti0₂ met daarop aangebracht 3.42 wt.% V205. Fabrikanten

van warmtewisselende elementen kunnen op dit moment de standaard

o-.J

-.J

Katalytische Luvo voor DeNOx Motivatie Gekozen Apparatuur

V.l.2.2.

elementen leveren met een laag van bovengenoemde katalysator.

Modellering

Voor de modellering van de omzetting van NO_x is de massabalans van belang. Aangenomen wordt dat de dunne laag katalysator op de warmtewisselende platen de warmteoverdracht van gas naar matrix niet beïnvloedt. Een andere aanname die wordt gemaakt is dat de reactie op het katalysator oppervlak plaatsvindt bij de berekende tem-peratuur van de matrix. Het luchtvoorverwarmingsproces vertoont een 0

cyclisch temperatuursprofiel, zodat met bovengenoemde de omzetting 0 •

vàn NO_x ook een cyclus zal vertonen, aangezien de reactiesnelheid afhankelijk is van de cyclisch wisselende temperatuur van de matrix. De omzettingsterm kan volgens Lodder [2] worden weergegeven met:

(13) met: ka

kg'

exp

(-E

A

1

(14) R-T en: KA :;:::

Ko'

_exp

(Mf~

1

(15) R-T Hierbij geldt: ko

=

19.196 [mis] E_A

=

33.02.103 [kJ/kmoIK]

Ko

=

84.9.103 [-] iliads

=

13.3-103 [kJ/kmoIK]

De kinetiek staat uitgebreid beschreven in bijlage 2.

Op grond van deze kinetiek kan voor het tank-in-serie model de vol-gende massabalans voor één tankje worden gevonden (zie bijlage. 4).: Indien voor "X" "NO" wordt ingevuld geldt deze massabalans voor NO, wordt voor "X" "NH_3" ingevuld dan geldt deze voor NH_3.

figuur 9

Rookgas temperatuursprofiel over de Wanne Sector van de Luvo

700 ~---, 650ts~~~~~===--==---~ 600 +---~~----~=---~~~---=~~~ ,..., ~~~-~ ~550 +---~~---~~---~~'~----~ ~

,

Ö 500 +---~~~----~~---~ "-Cl)

~ 450

+---

--

--

~

~----~~~

....

400 +---~~----~ 350 +---~~ 300 +---,---.---'---,---'---'---'---'---'-~

o

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Hoogte in Luvo [Schijf #]

figuur 10 Tijd WS

=

0.5 s Tijd WS :;;; 1.0 s Tlfd WS

=

5 s Tifd WS :;;; 7.5 s Tijd WS = 10 s Tijd WS :;;; 15 s

Matrix temperatuursprofiel over de Wanne Sector van de Luvo

700 .---, 650~~~~=--==---~ 600 +---~~---~~----~~~---~ ,... ~550 +-~~~---~~----~--~~---~~

3

ê 500 +---~~---~~---~~--~ ~ Cl) Q..

i

450 +---~~~----~=---~

....

400 +---~~----~~~ 350 +---~~----~ 300 +---,---~--,---~--.---.---.---.---.-~

o

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Schijf

#

in Luvo Tijd WS

=

0.5 s Tijd WS

=

1.0 s Tijd WS = 5 s Tijd WS :;;; 7.5 s Tird WS

=

lOs Tifd WS = 15 s r r (

- - - _ . - . - - - -

-Katalytische Luvovoor DeNOx Motivatie Gekozen Apparatuur

V.l.2.3.

V.J.3.

[X1;n ) Pgas,1j. (16) A V Ontwerp

Uitgangspunt van het ontwerp voor het aanbrengen van de katalyti-sche activiteit is het terugdringen van de NO_x concentratie tot beneden de 200 mg/Nm3. De omzetting gebeurt met behulp van NH_3.

Uitgaande van de bij de luchtvoorverwarmer berekende afmetingen van de Luvo is de katalytische activiteit in de Luvo aangebracht door een laagje katalysator op de matrix aan te brengen. Volgens Bosch [14] bedraagt de laagdikte van de katalysator 50 ~m.

In bijlage 2 is een lijst opgenomen met de ontwerpparameters van de Luvo als SCR.

Resultaten Modellering

In bijlage 6 zijn de ontwerp parameters van de Luvo bepaald met behulp van de door Saunders [22] gegeven formules en het

programma Mercury. Als aanname is de rookgasstroom afgekoeld van 390

oe

tot 150

oe

.

Hierbij wordt de verbrandingslucht opgewarmd van 20

oe

tot 345

oe.

Met behulp van het in bijlage 12 beschreven Turbo Pascal programma zijn de temperatuursprofielen van het rookgas en de matrix in de warme sector van de Luvo berekend. Deze zijn weergegeven in figuur 9 en 10. Bij een ingaande temperatuur van het rookgas van 390

oe

is '. met het computerprogramma een gemiddelde uitgaande

rookgastemperatuur van 180

oe

berekend. Met behulp van de overall warmtebalans in hoofdstuk VI is berekend dat de verbrandingslucht wordt opgewarmd van 20°C tot 336

oe.

Deze gemiddelde gegevens komen goed overeen met de berekeningen volgens Saunders.

In figuur 9 is de temperatuur van het rookgas uitgezet tegen de "hoogte" in de Luvo. De totale hoogte is opgedeeld in honderd-'

. . . . .. - . -.. - .. - . - - - - . -- .- ... - _ _ . • _ _ _ _ ~__011 _ _ _ _ _ _ _ _ _ • _ _ 500 450 400 350 .--. ~ 7300 3 "6 250 ~ Cl) ~200 Cl) ~ 150 100 50 figuur 11

Concentratieprofiel

NDz

in ppm over de Warme Sector van de Luvo

TTfd WS = 0.5 s Tij d WS = 1.0 s Tifd WS = 1.5 s Tijd WS = 2.0 s Tijd WS = 2.5 s

~\

~

Tijd WS = 3.0 s

~

~

o

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 300 250 Cl) 150 :;:: o ~

-

c _Cl) g o U 100 50

o

Schijf # in Luvo &guur 12

Concentratieprofiel NH₃ in pptn over de Warme Sector van de Luvo

Tifd WS

=

0.5 s Tijd WS :: 1.0 s Tijd WS = 5 s Tijd WS = 7.5 s Tifd WS

=

10 s \\

.\

Tijd WS = 15 s

\,

o

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Schijf # in Luvo ,-I I

I

(

"

I

Katalytische Luvo voor DeNOx Motivatie Gekozen Apparatuur

schijven, waarbij elke schijf een ideaal tankje voorstelt. Een

lengtedoorsnede over de Luvo is gevolgd gedurende het ronddraaien in de warme sector van de Luvo. Op t=O s draait de gevolgde

doorsnede vanuit de koude sector de warme sector binnen en op t= 15s bereikt deze het eind van de warme sector. Het temperatuursprofiel over de lengtedoorsnede van de Luvo is op verschillende tijden weergegeven in de figuur. In figuur 10 is hetzelfde gedaan voor de temperatuur van de matrix.

Bovenin de Luvo is het temperatuursverschil tussen rookgas en matrix in het begin (t=o s) het grootst, en wordt dus de meeste warmte

overgedragen. Door deze overdracht neemt de temperatuur van de matrix echter toe zodat de drijvende kracht achter de

warmteoverdracht op deze plaats afneemt. Hierdoor blijft het rookgas langer warm, zodat de warmte van het rookgas lager in de Luvo aan de matrix wordt overgedragen. Dit proces levert de kromme

verbanden in de figuren 9 en 10. De uitkomsten van de modellering van de Luvo als warmtewisselaar blijken te zijn zoals verwacht. De in het programma berekende temperatuursprofielen worden gebruikt om de omzetting van NO_x met NH₃ te berekenen. Hierbij wordt aangenomen dat de temperatuur waarbij de reactie plaatsvindt gelijk is aan de temperatuur van de matrix. Uit de molbalans blijkt dat bij de door Kema voorgestelde ingaande molverhouding van NH₃ :

NO_x = 0.8 en een gewenste omzetting van NOx van 622 naar 200

mg/Nm3 altijd een uitgaande NH₃ concentratie wordt gevonden die aanzienlijk hoger is dan de maximaal toegestane 5 ppm. Uit simulaties blijkt dat de beste omzetting wordt bereikt bij een molverhouding van 1,01.

In figuur 11 en 12 staan de berekende concentraties van NOx en NH3 weergegeven bij deze molverhouding. Het blijkt dat halverwege de Luvo de NO_x en NH₃ al vrijwel volledig gereageerd hebben. Bij deze instelling heeft het uitgaande rookgas een gemiddelde NOx

concentratie van 0,13 ppm, bij een NH3 concentratie van 2,59 ppm. Geconcludeerd kan worden dat de in bijlage 6 berekende afmetingen van de Luvo, die voldoende zijn voor de warmtewisselende functie, ruimschoots voldoende zijn voor de DeNO_x functie.

Katalytische Luvo voor DeNOx Motivatie Gekozen Apparatuur

In het verdere verslag is uitgegaan van het feit dat de SeR-Luvo zodanig kan worden ingesteld dat de NO_x concentratie afneemt van 622 mg/Nm3 in de ingaande rookgas stroom tot gemiddeld 200 mg/Nm3 in de gezuiverde. Tevens is aangenomen dat de uitgaande NH₃ concentratie gemiddeld 5 ppm bedraagt. Dat deze twee aannamen gerechtvaardigd zijn is aangetoond met bovenvermelde simulaties die laten zien dat de reacties bij het berekende temperatuursprofiel in de Luvo vrijwel volledig verlopen.

Katalytische Luvo voor DeNO_x Motivatie Gekozen Apparatuur

V2.

Aanbrengen ammoniaksysteem

V.2.J.

V.2.2.

Het aanbrengen van het ammoniaksysteem kan worden onderverdeeld in het aanbrengen van het opslagvat, het leidingensysteem, de pomp,

het injectiesysteem en de procesregeling van de toevoer.

Opslagvat

Uit veiligheidsoverwegingen wordt ervan uitgegaan dat de

ammonia-kopslag' zich op vrij terrein bevindt en wel op een afstand van 400 m

van het ammoniakinjectiepunt.

De verzadigingsdruk van ammoniak bij 25°C is 10.1 bar. Bij 45°C is

de verzadigingsdruk echter al opgelopen tot 18 bar [10]. Uit

veilig-heidsoverwegingen wordt door Dillon [9] dan ook een opslagdruk

aangehouden van 20 bar. Het opslagvat is gemaakt van R.V.S. en

heeft een volume van 100 m3

.

De MAC waarde van ammoniak bedraagt 25 ppm (18 mg/m3). Dit

vormt geen probleem omdat het opslagvat in de buitenlucht staat

opgesteld.

Leidingensysteem

Het door Flockenhaus [4] voorgestelde ammoniak injectie systeem kan

maximaal 1500 ppmv NH3 (=1150 mg/m

3

) gelijkmatig verdelen. Bij

een rookgasmassastroom van 250 kg/s betekent dit een maximale NH₃

massastroom van 0.1 kg/s. De ammoniakpomp moet maximaal deze

hoeveelheid NH₃ naar het injectiepunt kunnen verpompen.

Omdat de optimale molverhouding NH3 : NOx van 0.8 is volgt hieruit

voor de verhoudingen van de massastromen de factor 0.45.

Bij een maximale [NO_x] van 1000 ppm (0.25 kg/s), bij dezelfde

rook-gasmassastroom van 250 kg/s) moet er maximaal een massastroom

van 0.1125 kg/s NH3 naar het injectie punt worden geleid. In bijlage 7

is de optimale en de benodigde buisdiameter bepaald:

7.9

= 10.6

[mm] [mm]

Op grond van de bovenstaande berekende diameters is gekozen voor

een pijpdiameter van 10.6 mmo Aangezien dit geen standaard maat is

tabel V

Weerstandsgetallen van de diverse appendages

I

Appendage

I

Aantal aanwezig Weerstandsgetal

(~) (per appendage) 90° bocht 5 1.0 T-stuk 1 1.5 in/uittree verlies 2 0.3 regel kraan 1 20 "

,

,... I ' I I Î

Katalytische Luvo voor DeNOx Motivatie Gekozen Apparatuur

V2.3.

V2.4.

wordt gekozen voor de dichtstbijzijnde standaard diameter van 12.7

mm (Yl inch). De totale lengte van de leiding bedraagt 420 m. Hier-van is 400 m benodigd ter overbrugging Hier-van de afstand en 20 m ten behoeven van het omhoogbrengen van de ammoniak.

Voor de berekening van de drukval over de diverse appendages in de

NH3 leiding wordt uitgegaan van de in tabel V opgesomde aanwezige

appendages met bijbehorende weerstanden (datacompanion [27]). Op grond van deze gegevens is de drukval over de appendages

be-paald (zie bijlage 7) op 12.3 bar .

Pomp

Aangenomen wordt dat het ammoniak injectie punt zich 20 mboven het opslagniveau van de ammoniak bevindt. Dit hoogteverschil zorgt

samen met wrijving, bochten en afsluiters in de leiding voor een

drukverlies. Aangezien het niet gewenst is dat de ammoniak al in de

leidingen verdampt zal de druk niet lager mogen worden dan de op-slagdruk van 20 bar. De pomp zal dus het drukverschil ten gevolge

van de hoogte, wrijving en bochten moeten overbruggen. Aangezien

de pomp de drukval van 12.3 bar moet opvangen moet de pomp een druk leveren van 12.3 bar.

Dit betekent dat de pomp aan vermogen moet leveren: P pomp

=

<l>V,NH

3 '!1Ptotaal

=

217 W (17)

Bij een rendement van 60% komt dit neer op een verbruik van 360W.

Injectiesysteem

De katalytische reductie van NO_x vindt plaats met ammoniak. Bij deze

omzetting is het belangrijk dat de ammoniak gelijkmatig wordt ver-deeld in de te reinigen rookgasstroom. Is dit niet het geval dan zal

enerzijds de efficiency van de omzetting van NOx dalen en anderzijds

wordt de kans groter dat de ammoniak doorslaat. Het feit dat men in dit systeem te maken heeft met lage concentraties maakt een goede menging extra moeilijk.

Op dit moment wordt meestal gebruik gemaakt van het systeem om de opgeslagen vloeibare ammoniak eerst te verdampen en vervolgens

met de gasstroom op te mengen. Het voordeel van het opmengen met

I I I I I I

10

.---1

I I I I I I I r--~---.J I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I ---H--J

-figuur 13

NH₃ Injectie Systeem

5

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 ( r

1

Rookgaskanaal Sproeiinrichting Sproeikop ,~ Isolatie Leiding Doseerpomp Opslagvat Overstroomventiel r' I Regelkraan Temperatuurmeter Bypass Rookgas Sproeikegel Luchtkoeling r ( '

r