Alustavien koeajojen tulosten tarkastelu

Koeajojen toteuttamisen jälkeen kävi ilmi, että räjähdysnuohous toteutetaankin kattilan ykkösvedon sijaan kattilan kakkos- ja kolmosvedoissa. Oletettavasti typen oksidien muodostuminen ja pelkistyminen tapahtuvat kattilan ykkösvedossa. Ensimmäisen ja toisen koeajon tulokset eivät polton erilaisista olosuhteista johtuen ole täysin vertailukelpoisia, mutta koeajojen tulosten perusteella voidaan päätellä, ettei kakkos- ja kolmosvedoissa tehtävällä räjähdysnuohouksella ole vaikutusta NOx-pitoisuuteen.

Koeajojen aikana mitattiin ammoniakkipitoisuus ja savukaasun kosteus jatkuvatoimisten mittareiden toiminnan tarkastamiseksi. Virherajojen puitteissa ammoniakkipitoisuuden jatkuvatoiminen mittaus todettiin riittävän tarkaksi.

Ammoniakkiveden ja laimennusveden massavirran vaikutuksia on selvitetty vertailemalla eri SNCR-laitteistoon syötettyjen veden massavirtojen tuottamien NOx-päästöjen jakaumia ja keskihajontaa. Kokeiden aikana mitatut NOx-pitoisuudet vaihtelevat laajalla alueella, mutta painottuvat yleensä tietylle alueelle. Ensin NOx-pitoisuudelle on laskettu odotusarvo µ ja sen avulla keskihajonta σ. Odotusarvo lasketaan yhtälöllä 2

( )

P on arvon xi todennäköisyys (Parviainen 2009, 22).

Keskihajonta saadaan yhtälöllä 3

Keskihajonnan ja keskiarvon avulla voidaan selvittää keskimääräinen vaihteluväli V, jonka yläraja on

i i yläraja = ^y +σ

V , (4)

missä y_i on minuuttiarvojen x_i keskiarvo eli kokeen tulos [mg/m³n].

Vastaavasti alaraja on keskimääräinen vaihteluväli alustavien koeajojen eri kokeissa.

Taulukko 12. NO_x-pitoisuuksien keskiarvo, keskihajonta ja keskimääräinen vaihteluväli ensimmäisen koeajon kokeissa.

Koetunnus Keskiarvo Keskihajonta Keskimääräinen vaihteluväli

Taulukko 13. NO_x-pitoisuuksien keskiarvo, keskihajonta ja keskimääräinen vaihteluväli toisen koeajon kokeissa.

Koetunnus Keskiarvo Keskihajonta Keskimääräinen vaihteluväli

[mg/m³n] [mg/m³n] [mg/m³n]

SNCR-800 162 16 146–178

SNCR-600 153 17 136–170

SNCR-400 159 23 136–182

NH4OH-90 134 16 118–150

NH₄OH-70 184 17 167–201

NH4OH-50 198 34 164–232

Taulukko 14. NO_x-pitoisuuksien keskiarvo, keskihajonta ja keskimääräinen vaihteluväli kolmannen koeajon kokeissa.

Koetunnus Keskiarvo Keskihajonta Keskimääräinen vaihteluväli

[mg/m³n] [mg/m³n] [mg/m³n]

SNCR-800 185 36 149–221

SNCR-600 178 22 156–200

SNCR-400 180 35 145–215

NH₄OH-90 64 37 27–101

NH4OH-70 69 10 59–79

NH4OH-50 109 25 84–134

8.1.1 SNCR-laitteiston kautta syötetyn veden massavirran vaikutus puhdistustulokseen

Kuvassa 20 on vertailtu edellä esitettyjä NOx-pitoisuuden keskiarvoja. Kuvasta 20 nähdään, että ensimmäisessä koeajossa NOx-pitoisuus lisääntyi veden massavirran vähentyessä, mutta toisessa ja kolmannessa koeajossa niin ei käynyt kuin massavirrasta 600 kg/h siirryttäessä 400 kg/h:iin. Massavirta näyttäisi siis olevan vain yksi tekijä siinä tekijöiden joukossa, joka vaikuttaa SNCR-laitteiston puhdistustehokkuuteen. Koeajojen olosuhteet olivat sellaiset, ettei raja-arvo 200 mg/m³n ylittynyt millään kokeillulla massavirralla. Tavoitteena kuitenkin on,

että NOx-pitoisuuden keskiarvo olisi maksimissaan 160 mg/m³n, joten koeajojen tulosten ja aiemman kokemuksen perusteella voidaan sanoa, että SNCR-laitteiston veden massavirraksi 400 kg/h on liian vähän. Massavirtojen 600 kg/h ja 800 kg/h erosta ei koeajotulosten perusteella voida tehdä luotettavia johtopäätöksiä, sillä typenoksidipitoisuus ei muuttunut samansuuntaisesti kaikissa koeajoissa. Näin ollen varsinaisissa koeajoissa täytyy tutkia optimaalista massavirtaa tarkemmin.

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

800 kg/h 600 kg/h 400 kg/h SNCR-laitteiston

veden massavirta NOx

[mg/m³n]

Ensimmäinen koeajo Toinen koeajo Kolmas koeajo

Kuva 20. Typenoksidipitoisuus SNCR-laitteiston veden massavirran vaikutusta tutkittaessa.

Kuvassa 21 on vertailtu edellä, taulukoissa 12, 13 ja 14 esitettyjä keskimääräisiä vaihteluvälejä. Kuvasta 21 nähdään, että massavirran vähentäminen lisää typenoksidi-pitoisuuden hetkittäistä vaihtelua. Ainoa poikkeus on kolmannessa koeajossa, jossa pitoisuus vaihtelu eniten SNCR-laitteiston veden massavirralla 800 kg/h. Pitoisuuden vaihtelun syy ei selvinnyt. Mahdollisimman pieni hetkittäinen vaihtelu olisi PI-säätimen kannalta optimaalisin.

Mitä enemmän pitoisuus vaihtelee hetkittäin, sen vaikeampi PI-säätimen on säätää oikea ammoniakkiveden massavirta typen oksidien pelkistämiseen.

100 150 200 250

NOx

[mg/m³n]

K1-800 kg/h K1-600 kg/h K1-400 kg/h K2-800 kg/h K2-600 kg/h K2-400 kg/h K3-800 kg/h K3-600 kg/h K3-400 kg/h

Kuva 21. Keskimääräinen typenoksidipitoisuuden vaihteluväli SNCR-laitteiston veden massavirran vaikutusta tutkittaessa. K1= ensimmäinen koeajo, K2 = toinen koeajo ja K3 = kolmas koeajo.

8.1.2 Ammoniakkiveden massavirran vaikutus puhdistustulokseen

Kuvassa 22 on kuvattuna NO_x-pitoisuuden keskiarvot kokeissa, joissa tutkittiin ammoniakki-veden massavirran vaikutusta. Siitä nähdään, että ammoniakkiammoniakki-veden massavirran lisääminen vähensi NO_x-pitoisuutta kaikissa koeajoissa. Kuvasta 22 nähdään myös, että toisessa koeajossa ammoniakkiveden massavirta 50 l/h ei ollut riittävä, koska NOx-pitoisuuden keskiarvo on 198 mg/m³n, mikä on lähes raja-arvo 200 mg/m³n. Toisessa koeajossa öljyisen veden syöttö ei ollut käytössä. Voi olla, että öljyisen veden puuttuminen takia toisessa koeajossa NOx-pitoisuudet ovat olleet suuremmat kuin ensimmäisessä koeajossa. Öljyisen veden vaikutusta SNCR-laitteiston puhdistustulokseen on siis tutkittava varsinaisissa koeajoissa. Kolmannen koeajon selkeästi pienemmät NOx-pitoisuudet selittyvät sillä, että jätteen lämpöarvo oli normaalia matalampi.

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220

90 l/h 70 l/h 50 l/h Ammoniakkiveden

massavirta NO_x

[mg/m³n]

Ensimmäinen koeajo Toinen koeajo Kolmas koeajo

Kuva 22. Typenoksidipitoisuudet ammoniakkiveden massavirran vaikutusta tutkittaessa.

Ammoniakkiveden massavirtaa tarkasteltaessa on myös tarkasteltava ammoniakki-slip:n määrää. Kuvassa 23 on NO_x-pitoisuuksien keskiarvot ja ammoniakki-slip:t kokeiden tuloksille. Kolmannessa koeajossa typen oksidien muodostuminen oli vähäistä polton olosuhteista johtuen ja myös ammoniakkiveden tarve olisi ollut vähäinen. Näin ollen ammoniakkiveden massavirran vakioiminen aiheutti suuren ammoniakki-slip:n, kuten kuvasta 23 nähdään. Ensimmäisen ja toisen koeajon tuloksia vertailtaessa kuvasta 23 nähdään, että optimaalisin tilanne oli ensimmäisen koeajon kokeissa, joissa ammoniakkiveden massavirta oli 70 l/h ja 50 l/h. Tällöin ammoniakki-slip oli pienin ja NOx-pitoisuuden keskiarvo oli selkeästi alle raja-arvon. Ammoniakkiveden massavirran lisäämisellä saadaan NOx-pitoisuutta vähennettyä, mutta vastapuolena voi olla kasvava ammoniakki-slip. Läpi vuotava ammoniakkihaittaa lämmönvaihtimien ja pisaraerottimien toimintaa ja aiheuttaa ammoniakkipäästön.

0 50 100 150 200 250

K3-90 l/h K3-70 l/h K3-50 l/h K1-90 l/h K2-90 l/h K1-70 l/h K1-50 l/h K2-70 l/h K2-50 l/h

NOx

[mg/m³n]

0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 NH3-slip [mg/m³n]

NOx-pitoisuuden keskiarvo Ammoniakki-slip Kuva 23. NO_x-pitoisuuden keskiarvot ja ammoniakki-slip koesarjan 2 kokeissa.

8.1.3 SNCR-laitteiston puhdistustehokkuus

Ensimmäisen koeajon lopuksi kokeiltiin hetki ilman SNCR-laitteistoa ja öljyisen veden syöttöä. Kuvassa 24 näkyy NOx-pitoisuuden lisääntyminen, kun SNCR-laitteisto ja öljyisen veden syöttö otetaan pois päältä. Kuvasta 24 nähdään myös, että laitteiston käynnistämisen jälkeen kestää hetken, ennen kuin NOx-pitoisuus pienenee ja tasaantuu normaaliin vaihteluunsa.

0

14:11 14:15 14:19 14:23 14:27 14:31 14:35 14:39 14:43 14:47 14:51 14:55 14:59

[min]

Kuva 24. NO_x-pitoisuuden lisääntyminen otettaessa SNCR-järjestelmä hetkeksi pois päältä.

Kuvasta 24 nähdään, että NO_x-pitoisuus oli korkeimmillaan 426 mg/m³n. Jos lasketaan muodostuneen NOx-pitoisuuden keskiarvo ajalta, minkä SNCR-järjestelmä oli poissa käytöstä, saadaan NOx-pitoisuudeksi 382 mg/m³n. Keskiarvo on laskettu piipussa mitatusta NOx-pitoisuudesta. SNCR-järjestelmän palauttamisen ja tasaantumisen jälkeen keskiarvo-pitoisuudeksi saadaan 153 mg/m³n. Kun yllä laskettuja keskiarvoja verrataan keskenään, saadaan SNCR-järjestelmän erotustehokkuus η laskettua yhtälöllä 6

muodostuva

missä c on typenoksidipitoisuus [mg/m³n].

Yhtälöllä 6 saadaan erotustehokkuudeksi

SNCR-laitteiston erotustehokkuus on siis 60 %.

8.1.4 Muut puhdistustulokseen merkittävästi vaikuttavat tekijät

Koeajojen datasta on laskettu eri tekijöiden väliset korrelaatiokertoimet lineaaristen riippuvuuksien selvittämiseksi. Korrelaatiokertoimista saadaan selville polton systematiikka.

Lämpötilan noustessa höyryn virtaus lisääntyy. Suurempi höyryn virtaus tarkoittaa suurempaa hyödyksi saatavan energian määrää, mutta samalla hiilidioksidi- ja NOx-pitoisuus kasvaa.

Sekundääri-ilman lisääminen lisää höyryn virtausta ja NO_x-pitoisuutta. Primääri-ilmamäärän lisääminen puolestaan vähentää NOx-pitoisuutta. Kuten ilmavaiheistusta käsiteltäessä (luku 4.1) todettiin, yleensä ottaen primääri-ilman vähentäminen ja sekundääri-ilman lisääminen vähentävät NOx-pitoisuutta. Päinvastaisen tuloksen syy voi olla vaikea löytää, mutta varsinaisissa koeajoissa on tarpeen tutkia optimaalista ilmasuhdetta tarkemmin.

Tulipesän happipitoisuuden yhteys primääri- tai sekundääri-ilmamäärään on korrelaatio-kertoimien valossa aika heikko, mutta näyttäisi siltä, että primääri-ilman osuuden lisääminen lisää jonkin verran tulipesän happipitoisuutta ja sekundääri-ilman osuuden lisääminen pienentää jonkin verran happipitoisuutta. Tulipesän happipitoisuudella on sen sijaan selkeä yhteys typenoksidipitoisuuteen siten, että happipitoisuuden lisääntyminen vähentää typenoksidipitoisuutta. Palamisen heikentyessä happipitoisuus suurenee ja samalla typen oksidien muodostuminen vähentyy, mikä selittänee happipitoisuuden vaikutuksen typenoksidipitoisuuteen.

Lämpötilan noustessa NO_x-pitoisuus kasvaa mutta samalla ilokaasupitoisuus pienenee. Tämä yhteys näkyi selkeästi vain ammoniakkiveden massavirtaa tutkittaessa. Hiilidioksidi-pitoisuuden lisääntymisellä on kuitenkin selkeä korrelaatio ilokaasupitoisuuden vähenemiseen. Hiilidioksidipitoisuuden kasvaessa lämpötila ja höyryn virtaus suureni, joten voitaneen olettaa, että lämpötilan nousu vähentää ilokaasupitoisuutta, vaikkei tämä suora korrelaatio vahvana kaikissa kokeissa näykään.

In document Jätteenpolton typenoksidipäästöjen vähentäminen (sivua 75-84)