Σχηματισμός και δέσμευση αέριων ρύπων σε εστίες ατμοπαραγωγών κονιοποιημένων στερεών καυσίμων

Abstract

Η παρούσα διδακτορική διατριβή έχει ως σκοπό την ανάπτυξη ολοκληρωμένων υπολογιστικών μοντέλων για την προσομοίωση των διεργασιών δέσμευσης SO2 και των μηχανισμών σχηματισμού NOx σε εστίες κονιοποιημένου καυσίμου. Με την ένταξη των μοντέλων αυτών σε διφασικούς κώδικες προσομοίωσης καύσης επετεύχθη η παραμετρική μελέτη των διεργασιών αυτών εστιάζοντας κυρίως στην δυνατότητα μείωσης των ρύπων από την χρήση ελληνικών λιγνιτών. Παράλληλα παρουσιάζονται οι κύριες σύγχρονες τεχνολογικές επιλογές για την μείωση των εκπομπών NOx και SO2 από μεγάλες εγκαταστάσεις καύσης. Στο πρώτο κεφάλαιο παρουσιάζονται οι γενικές αρχές για την αξιοποίηση των στερεών καυσίμων και διατυπώνονται οι κύριες περιβαλλοντικές επιπτώσεις από την χρήση τους σε μεγάλες εγκαταστάσεις για την παραγωγή ενέργειας. Εξετάζονται οι περιβαλλοντικοί κανονισμοί καθώς και οι εθνικές και διεθνείς δεσμεύσεις που έχουν τεθεί για την μείωση των εκπομπών αυτών. Επίσης παρουσιάζονται τα κύρια στοιχεία της εργασίας αυτής. Στο δεύτερο κεφάλαιο εξετάζονται οι δυνατότητες δέσμευσης ενώσεων του θείου σε μεγάλες εγκαταστάσεις καύσης με την χρήση ξηρών προσθέτων στην εστία. Παρουσιάζονται τα μοντέλα δέσμευσης τα οποία αναπτύχθηκαν και αφορούν την προσομοίωση των σωματιδίων του απορροφητή. Αυτά είναι τα μοντέλα ελαττούμενου πυρήνα και δενδροειδούς δομής των οποίων αναλύεται η θεωρητική δομή τους ενώ περιγράφεται και η μεθοδολογία των αντίστοιχων υπολογιστικών κωδίκων. Πραγματοποιείται ανάλυση ευαισθησίας ως προς τις παραμέτρους της θερμοκρασίας, της ποιότητας των σωματιδίων (πορώδες, ειδική επιφάνεια) και του μεγέθους των σωματιδίων. Με την χρήση τρισδιάστατου διφασικού υπολογιστικού κώδικα πραγματοποιείται προσομοίωση της εστίας ΑΗΣ (Μεγαλόπολης Ι) για την διερεύνηση της δυνατότητας χρήσης της μεθόδου. Από τα αποτελέσματα προκύπτει η διαφορετική αποτελεσματικότητα της μεθόδου ανάλογα με τη θέση εισαγωγής των ξηρών προσθέτων. Η εισαγωγή σωματιδίων μικρής διαμέτρου από τους κάτω καυστήρες οδηγεί στην αύξηση της δέσμευσης του παραγόμενου SO2. Δίδονται επίσης συγκριτικά στοιχεία που αφορούν την εφαρμογή δευτερογενών τεχνικών για την δέσμευση του SO2 σε μεγάλες εγκαταστάσεις καύσης. Στο τρίτο κεφάλαιο εξετάζονται οι διεργασίες παραγωγής και μείωσης των οξειδίων του αζώτου από την καύση στερεών καυσίμων. Περιγράφονται οι κύριοι μηχανισμοί παραγωγής NOx. Στην συνέχεια εξετάζεται η δυνατότητα μείωσης της παραγωγής NOx σε εστίες κονιοποιημένου καυσίμου με την χρήση πρότυπου καυστήρα ο οποίος σχεδιάσθηκε από το All-Russia Thermal Engineering Institute (VTI) και στηρίζεται στην αρχή του ελέγχου της διεργασίας αποπτητικοποίησης και παραγωγής NOx με την προθέρμανση του καυσίμου εντός του καυστήρα. Για τον σκοπό αυτό χρησιμοποιείται καύση Φ. Αερίου. Η εξέταση της περιβαλλοντικής επίδοσης του καυστήρα πραγματοποιείται με την χρήση διδιάστατου διφασικού κώδικα πεπερασμένων διαφορών για την προσομοίωση των λειτουργικών χαρακτηριστικών του καθώς και κώδικα NOx post processing. Εξετάσθηκε η συμπεριφορά του καυστήρα με χρήση διαφορετικών καυσίμων, όπως Ελληνικός και Βουλγάρικος λιγνίτης, με σκοπό την διερεύνηση της ευρύτερης χρήσης του σχεδιασμού αυτού σε χαμηλής ποιότητας καύσιμα. Ο καυστήρας VTI επιτυγχάνει μείωση των εκπομπών NOx κατά 1.6-2.3 φορές σε σύγκριση με τυπικούς καυστήρες χαμηλών εκπομπών ενώ είναι 2.0-2.5 φορές πιο αποδοτικός από τεχνολογικές λύσεις όπως η διβάθμια καύση ή η ανάκαυση. Από την διερεύνηση των διαφορετικών τύπων καυσίμου προκύπτει ότι τα τεχνικά χαρακτηριστικά του καυστήρα μπορούν να υιοθετηθούν από μεγάλο εύρος εφαρμογών που χρησιμοποιούν στερεά καύσιμα, θα απαιτηθεί όμως αύξηση του μεγέθους για την επίτευξη αύξησης της ισχύος. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζονται οι σύγχρονες αρχές σχεδιασμού των πρωτογενών τεχνικών για την μείωση των εκπομπών NOx από ΑΗΣ και συγκεκριμένα της βαθμιαίας προσαγωγής αέρα στην εστία (AIR STAGING), οι καυστήρες χαμηλών εκπομπών NOx(LOW-NOx BURNERS), της τεχνολογίας της βαθμιαίας προσαγωγής καυσίμου με χρήση φ. αερίου, στερεών καυσίμων ή εναλλακτικών καυσίμων ως δευτερεύον καύσιμο. Επίσης εξετάζεται και η τεχνική της προηγμένης βαθμιαίας προσαγωγής καυσίμου (ADVANCED REBURNING). Στο πέμπτο κεφάλαιο περιγράφεται η υφιστάμενη κατάσταση στον τομέα της ενέργειας ως προς την εφαρμογή μεθόδων για την μείωση των εκπομπών NOx. Στην συνέχεια παρουσιάζονται βιομηχανικές εφαρμογές των συστημάτων μείωσης οξειδίων του αζώτου για κάθε τεχνολογία που παρουσιάσθηκε στο προηγούμενο κεφάλαιο, τεχνικά χαρακτηριστικά καθώς και τα επιτυγχανόμενα αποτελέσματα. Στα πλαίσια της διερεύνησης της εφαρμογής της τεχνολογίας της ανάκαυσης εξετάσθηκαν οι δυνατότητες χρήσης της μεθόδου σε σταθμούς της Κεντρικής και Ανατολικής Ευρώπης. Τέλος παρουσιάζονται για λόγους σύγκρισης και οι δευτερογενείς μέθοδοι που αφορούν την Εκλεκτική καταλυτική αναγωγή (SELECTIVE CATALYTIC REDUCTION), και την Εκλεκτική μη καταλυτική αναγωγή (SNCR).