Arderea gazului natural

Generalitatii

Gazul natural este unul dintre combustibilii majori folositi în întreaga ţară. Este folosit în principal pentru a genera energie industriala şi energie electrica industriala, producerea de abur industrial şi de căldură, şi de căldură rezidentiala si spatii comerciale. Gazul natural este alcatuit dintr-un procent ridicat de metan (în general peste 85 la sută) şi cantităţi variabile de etan, propan, butan, şi inerte (de obicei azot, dioxid de carbon, şi heliu). Valoarea medie de încălzire bruta de gaze naturale este de aproximativ 1020 de unităţi britanice termice pe picior cub standard (Btu / CSA), de obicei, variind de la 950 la 1.050 Btu / CSA.

Practici de ardere

Există trei tipuri majore de cazane utilizate pentru arderea gazelor naturale de aplicatii comerciale, industriale si utilitate: acvatubulare, ignitubulare, şi fontă. Cazanele acvatubulare sunt concepute pentru a trece apa prin interiorul unor tuburi de transfer de căldură în timp ce partea exterioară a tuburilor este incalzita prin contact direct cu gazele de ardere fierbinţi şi prin transferul de căldură radiantă. Designul acvatubular este cel mai comun încazul cazanelor de utilitate şi cazanelor industriale mari. Cazanele acvatubulare sunt folosite pentru o varietate de aplicaţii, de la furnizarea de cantităţi mari de abur procesat, pentru furnizarea de apă fierbinte sau abur pentru încălzirea spaţiului, pentru a genera temperaturi ridicate, abur de înaltă presiune pentru producerea energiei electrice. În plus, cazanele acvatubulare se pot distinge fie ca domeniu ridicat de unităţi sau unităţi ambalate.

Cazanele de camp ridicat sunt cazane care sunt construite pe locul de amplasare şi cuprinde cazane acvatubulare de mari dimensiuni. În general, cazanele cu nivelurile de intrare de căldură mai mare de 100 MMBtu / h, sunt ridicate in camp. Câmpurile ridicate de unităţi au de obicei mai multe arzătoare şi, având în vedere natura personalizata a construcţiei lor, au, de asemenea, o mai mare flexibilitate operaţională şi opţiuni de control al NOx. Câmpurile ridicate de unităţi pot fi, de asemenea, în continuare clasificate ca perete parafoc sau perete tangenţial. Unităţile de perete tras sunt caracterizate prin arzătoare multiple individuale situate pe un singur perete sau pe pereţii opusi cuptorului în timp ce unităţile tangenţiale au mai multe randuri de duze de aer şi de combustibil amplasat în fiecare din cele patru colţuri ale cazanului.

Pachetele de unităţi sunt construite in afara locului de amplasare şi expediate la locaţia unde acestea sunt necesare. În timp ce nivelurile de căldură de intrare ale unităţilor ambalate pot varia de până la 250 de MMBtu / h, mărimea fizică a acestor unităţi sunt constranse de considerente de transport maritim şi, în general, au un nivel de intrare de căldură mai puţin de 100 MMBtu / oră. Unităţile ambalate sunt întotdeauna unităţi de perete-tras cu una sau mai multe arzatoare individuale. Având în vedere limitele de dimensiune impuse cazane ambalate, ele au flexibilitate operaţionala limitata şi nu pot include practic, unele opţiuni de control al NOx.

Cazanele ignitubulare sunt concepute astfel încât fluxul fierbinte a gazelor de ardere trece prin tuburi, care încălzeşte apa care circulă în afara tuburilor. Aceste cazane sunt utilizate în principal pentru sistemele de incalzire a spaţiului , abur procesat industrial, şi boilere electrice portabile. Cazanele ignitubulare sunt aproape în exclusivitate de unităţi ambalate. Cele două

tipuri principale de unităţi ignitubulare sunt cazane scotiene marine şi cazane vechi cu cutii de foc. În cazanele din fonta, ca şi în cazane ignitubulare, gazele fierbinţi sunt conţinute în interiorul tuburilor şi apa fiind încălzită circula în afara tuburilor. Cu toate acestea, unităţile sunt construite din fonta, mai degrabă decât din oţel. Practic, toate cazanele din fontă sunt construite ca, cazane pachet. Aceste cazane sunt folosite pentru a produce, fie apă de joasă presiune sau abur fierbinte, şi sunt cele mai frecvent utilizate în aplicaţii comerciale mici.

Gazele naturale sunt, de asemenea, arse în cazane rezidenţiale şi cuptoare. Cazanele rezidenţiale şi cuptoarele seamănă, în general cu cazanele ignitubulare cu gaze de ardere care călătoresc prin mai multe canale sau tuburi cu apa sau aer circulat în afara canalelor sau tuburilor.

Emisiile

Emisiile provenite de la cazanele cu tevi de fum de gaz natural şi cuptoare includ oxizi de azot (NOx), monoxid de carbon (CO), şi dioxid de carbon (CO2), metan (CH4), protoxid de azot (N2O), compuşi organici volatili (COV), urme de dioxid de sulf (SO2), sau pulberile în suspensie (PM).

Oxizi de azot

Formarea de oxizi de azot are loc prin trei mecanisme fundamentale diferite. Principalul mecanism de formare a NOx de ardere a gazelor naturale este NOx termic . Mecanismul de NOx termic are loc prin disocierea termică şi reacţia ulterioară de azot (N2) şi oxigen (O2), a moleculelor din aerul de combustie. Cei mai multi NOx formati prin intermediul mecanismului de NOx termic are loc in zona ce mai inalta a temperaturii flacarii în apropierea arzătoarelor. Formarea de NOx termic este afectată de trei factori ai zonei cuptorului: (1) concentraţia de oxigen, (2) temperatura de vârf, şi (3) timpul de expunere la temperatura de vârf. Deoarece acesti trei factori cresc , creşte si nivelul emisiilor de NOx. Tendinţele de emisie ca urmare a modificării acestor factori sunt destul de consistente pentru toate tipurile de cazane cu tevi de fum de gaz natural şi cuptoare. Nivelurile de emisie variază considerabil cu tipul şi dimensiunea de ardere şi cu condiţiile de funcţionare (de exemplu, temperatura aerului de ardere, rata volumetrica de eliberare de căldură, de sarcină, şi nivelul de oxigen în exces).

Al doilea mecanism de formare a NOx, numit prompt NOx, se produce prin reacţii la începutul de molecule de azot în aerul de combustie şi radicali de hidrocarburi din combustibil. Reactiile prompt NOx apar în flacără şi sunt de obicei neglijabile, în comparaţie cu cantitatea de NOx formata prin intermediul mecanismului termic NOx. Cu toate acestea, nivelurile de prompt NOx pot deveni semnificative cu arzătoare cu nivel scazut de NOx.

Al treilea mecanism de formare a NOx, numit combustibil NOx, rezultă din evoluţia şi reacţia compuşilor de azot de combustibil legat cu oxigen. Datorită conţinutului scăzut de azot caracteristic de combustibil de gaze naturale, formarea de NOx prin intermediul mecanismului de combustibil NOx este nesemnificativă.

Monoxid de carbon

Rata emisiilor de CO de la cazane depinde de eficienţa de ardere a gazelor naturale. Reglate incorect boilerele şi cazanele care funcţionează in afara planului nivelurilor scade eficienţa arderii rezultand creşterea emisiilor de CO. În unele cazuri, adăugarea de sisteme de control al NOx, cum ar fi arzatoare cu NOx redus si recircularea gazelor de ardere (FGR) poate reduce, de asemenea, eficienţa de combustie, care generează emisii mai mari de CO în raport cu cazanele necontrolate.

Compuşi organici volatili

Rata emisiilor de COV de la cazane şi cuptoare de asemenea, depinde de eficienţa de combustie. Emisiile de COV sunt minimizate prin practici de ardere care promovează temperaturi ridicate de ardere, şedere indelungata la aceste temperaturi, şi amestecarea turbulentă de combustibil şi aer de combustie. Cantitati de urme de specii COV în gaz natural (de exemplu, formaldehidă şi benzen) pot contribui, de asemenea, la emisiile de COV în cazul în care nu sunt complet arse în cazan.

Oxizi de sulf

Emisiile de SO2 de la cazanele cu tevi de fum de gaz natural sunt mici, deoarece calitatea conductelor de gaze naturale, au de obicei niveluri de sulf de 2.000 de boabe la un milion de metri cubi. Cu toate acestea, odorizantele cu conţinut de sulf sunt adaugate la gazele naturale pentru a detecta scurgeri care să conducă la cantităţi mici de emisii de SO2. Cazanele neprelucrate de gaze naturale pot avea emisii mai mari de SO2 datorită nivelului mai ridicat de sulf în gaze naturale. Pentru aceste unităţi, un bilanţ de masă de sulf ar trebui să fie utilizat pentru a determina emisiile de SO2.

Pulberi în suspensie

Deoarece gazul natural este un combustibil gazos, emisiile filtrabile de PM sunt de obicei scăzute. Pulberile din arderea gazelor naturale au fost estimate la mai puţin de 1 micrometru în dimensiune şi au fracţiuni filtrabile şi necondensabile. Pulberile în ardere a gazelor naturale au de obicei greutate moleculară mai mare ca hidrocarburile care nu sunt complet arse. Creşterea emisiilor de PM ar putea rezulta din aer sărac / combustibil de amestecare sau probleme de întreţinere.

Gaze cu efect de seră

Emisiile de CO2, CH4, N2O sunt toate produse în timpul arderii gazelor naturale. În cazane corect reglate, aproape tot combustibilulul de carbon (99,9 la sută) în sectorul gazelor naturale este transformat în CO2 în timpul procesului de ardere. Această conversie este relativ independenta de cazan sau de tipul de ardere. Din combustibilul de carbon care nu este convertit in CO2 rezulta CH4, CO, şi / sau emisiile de COV şi se datorează arderii incomplete. Chiar şi în cazanele care funcţionează cu randament de ardere slabă, suma de CH4, CO, şi COV produs este nesemnificativă în comparaţie cu nivelurile de CO2.

Formarea de N2O în timpul procesului de ardere este afectată de doi factori cuptor-zonă. Emisiile de N2O sunt reduse la minimum atunci când temperaturile de ardere sunt ţinute ridicate ( mai sus de 1475oF) şi excesul de oxigen este menţinut la un nivel minim (mai puţin de 1 la sută).

Emisiile de metan sunt cele mai ridicate în timpul arderii la temperaturi joase sau arderii incomplete, cum ar fi pornirea sau oprirea ciclului pentru cazane. De obicei, condiţiile care favorizează formarea de N2O favorizează, de asemenea, emisiile de metan.

Tehnici de control

NOx

În prezent, două dintre cele mai răspândite tehnici de control de ardere utilizate pentru reducerea emisiilor de NOx de la cazanele cu tevi de fum de gaz natural sunt recircularea gazelor de ardere (FGR) şi emisii reduse de NOx in arzatoare . Într-un sistem FGR, o parte din gazele de ardere este reciclat din stivă la cutia de aer a arzătorului. La intrarea în cutia de aer, gazele recirculate sunt amestecate cu aer de ardere înainte de a fi alimentat la arzător. Gazele de ardere reciclate sunt alcatuite din produse de ardere care acţionează ca materie inertă în timpul de ardere a combustibilului / amestec de aer. Sistemul FGR reduce emisiile de NOx prin doua mecanisme. În primul rând, gazul recirculat actioneaza ca o unplutura pentru a reduce temperatura de combustie, astfel suprima mecanismul termic de NOx. Pentru o mai mică măsură, FGR reduce, de asemenea, formarea de NOx prin scăderea concentraţiei de oxigen în zona de flacără primara. Cantitatea de gaze de ardere recirculata este un parametru de operare cheie care influenţează ratele de emisie de NOx pentru aceste sisteme. Un sistem FGR este utilizat în mod normal în combinaţie cu arzatoare special concepute pentru NOx redus capabile sa sustina o flacără stabilă, cu un flux sporit de gaz inert care rezultă din utilizarea de FGR. Când arzatoarele cu NOx redus şi FGR sunt folosite in combinatie, aceste tehnici sunt capabile de reducere a emisiilor de NOx cu 60 până la 90 la sută.

Arzătoarele cu NOx redus reduce NOx prin realizarea procesului de ardere în etape. Stadializarea parţiala întârzie procesul de ardere, rezultând într-o flacără rece care suprimă formarea termica NOx. Cele mai comune doua tipuri de arzatoare cu NOx redus se aplică la cazane cu tevi de fum de gaz natural sunt organizate şi puse în scenă arzătoare de combustibil si arzatoare cu aer. Reduceri ale emisiilor de NOx de la 40 la 85 la sută (în raport cu nivelurile de emisii necontrolate) au fost observate cu arzătoare cu NOx redus.

Alte tehnici de control de ardere utilizate pentru reducerea emisiilor de NOx include arderea stadializata şi arderea repetată de gaz. În etapele de ardere gradul de stadializare este un parametru de funcţionare cheie care influenţează ratele de emisie de NOx. Arderea repetată de gaz este similar cu utilizarea de overfire în utilizarea de ardere stadializata.

Două tehnologii post combustie care pot fi aplicate la cazane cu tevi de fum de gaz natural pentru a reduce emisiile de NOx sunt reducerea selectivă noncatalitica (SNCR) şi reducere catalitică selectiva (SCR). Sistemul de SNCR injecteaza amoniac (NH3) sau uree în gazele de ardere (într-o zonă de temperatură specifica) pentru reducerea emisiilor de NOx. Tehnici alternative de control (ACT), document pentru emisiile de NOx de la cazanele de utilitate, maxim SNCR de performanţă a fost estimat la intervalul 25 - 40 la sută pentru cazane cu tevi de fum de gaz natural. Date de performanţă disponibile de la mai multe cazane de utilitate cu SNCR arată o reducere de 24 la sută NOx pentru aplicaţii pe cazane de perete-tras şi o

reducere de 13 la sută în NOx pentru aplicaţii pe cazane tangenţiale. În multe situaţii, un cazan poate avea un sistem de SNCR instalat pentru a echilibra emisiile de NOx să îndeplinească anumite niveluri permise. În aceste cazuri, sistemul de SNCR nu poate fi exploatat pentru a obţine maxim de reducere a NOx. Sistemul SCR presupune injectarea NH3 în gazele de ardere, în prezenţa unui catalizator de reducere a emisiilor de NOx. Nu au fost disponibile date privind performanţa SCR pe cazane de ardere la momentul publicării prezentului document. Cu toate acestea, documentul ACT pentru cazane de utilitate estimeaza o reducere eficienta a NOx pentru controlul SCR variind de 80 la 90 la sută.

Factorii de emisie pentru arderea gazelor naturale în cazane şi cuptoare sunt prezentate în tabelele 1.4 -1, 1.4-2, 1.4-3, şi tabelele 1.4 - 4, Tabelele din această secţiune prezinta factori de emisie pe bază de volum (lb/106 SCF). Pentru a converti la o bază de energie (lb / MMBtu), se împarte la o valoare de încălzire de 1020 MMBtu/106 FSC. În sensul factorilor de emisie în curs de dezvoltare, camerele de combustie de gaze naturale au fost organizate în trei categorii generale: cazane mari de perete-tras cu mai mult de 100 de MMBtu / h de intrare de căldură, cazane şi cuptoare cu mai puţin de 100 MMBtu / h de intrare de căldură, şi cazane tangenţiale. Cazanele dinn aceste categorii împart acelasi design şi caracteristici de exploatare şi, prin urmare, au caracteristici similare de emisie de gaze atunci când ard natural.

Factorii de emisie sunt apreciati de la A la E pentru a furniza utilizatorului, ca un indiciu al modului cat de "bun" este factorul, cu "A", fiind excelent şi ”E” de a fi sărac. Criteriile care sunt folosite pentru a determina un rating pentru un factor de emisie pot fi găsite în documentul Factorul de Emisie pentru AP-42, punctul 1.4 şi în introducerea la AP-42.

Actualizări de la ediţia a cincea

A cincea ediţie a fost lansata în ianuarie 1995. Revizuirile la această secţiune sunt prezentate mai jos. Pentru detalii suplimentare, consultaţi Factorul de emisie pentru această secţiune. Acestea şi alte documente pot fi găsite pe factorul de emisie şi Grupul Inventory (EFIG) pe pagina de start initiala (http://www.epa.gov/ttn/chief).

Supliment D, martie 1998,

Textul a fost revizuit cu privire la practicile de ardere, emisii şi controale. Toţi factorii de emisie au fost actualizati pe baza a 482 de puncte de date luate din testele sursă 151. Multi dintre noi factori de emisie au fost adăugati pentru compuşi organici , inclusiv poluanţi atmosferici periculoasi. Iulie 1998 - modificări minore Nota de subsol D a fost adaugata in tabelul 1.4-3 să explice de ce suma individuala HAP poate depăşi COV sau TOC, adresa de web a fost actualizata, iar referinţele au fost reorganizate.