Reduction of Nitrogen Oxide Emission of a Medium-Pressure Boiler by Fuel Control

Abstract

A study of reducing nitrogen oxide (NO) emission by using different fuel oil/hydrogen-rich refinery gas ratios (FO/RG) of the volumetric flow rate in a 130-ton/hr, full-scale, mediumpressure boiler was carried out. The influence of the FO/RG ratio on boiler outlet temperature, flue -gas flow rate and temperature, and O 2 concentration in the excess air was also investigated.Test results show that by adjusting the FO/RG volumetric flow rate ratio from 5:1 to 1.8:1, fuel cost was reduced by as much as $33 million NT (~$1.1 million US) per year. Concentration of NO was lowered from 167 to 152 ppm, reducing NO emission a total of 72 tons per year. The air pollution fee was cut as much as $860,000 NT (~$27,000 US) each year. Hence, changing the FO/RG ratio of the volumetric flow rate can not only save fuel costs, but can also greatly reduce NO emission and air pollution fees. Results of this study can help to develop boilers that operate more economically and efficiently.

Efecto de la composición del gas de refinería sobre las características del proceso de combustión

“…( ) En la figura 3 se observa que para 1 kmol de GN es necesario suministrar 9,82 kmol de aire; al realizar el cambio de combustible se observa que C1 requiere una cantidad menor al GN (1 %), debido a la adición de hidrógeno (20 %), tal como reporta Lee CH et al [12], ya que dicho componente disminuye la cantidad de aire, pues requiere 0,5 mol de oxígeno por mol de combustible, mientras que para C2, C3 y C4 se presenta un aumento del 28, 59 y 89 % en la cantidad de aire, respecto al GN; dicho aumento se presenta porque estos gases poseen la mayores concentraciones de propano, butano y propileno, que de acuerdo con las reacciones de combustión (6,7,9), necesitan mayor cantidad de moles de oxigeno por mol de combustible (5 para el propano, 6,5 para el butano y 4,5 para el propileno) para asegurar la combustión completa, comparado con el metano (principal componente del GN) que solo necesita 2 mol de oxígeno. Por tanto, la presencia de hidrocarburos de alto peso molecular en el GR incrementa la cantidad de aire requerido para la combustión, y de ese modo, se corre el riesgo de presentarse combustión incompleta.…”

“…Se observa que la máxima temperatura se obtiene para 0 % de exceso de aire, la cual corresponde a la condición estequiométrica para cada uno de los gases, tal como se reporta en la literatura. De igual forma, se observa que a un mismo exceso de aire la temperatura adiabática del GN es de 2036 °C; al usar el GR se obtienen temperaturas adiabáticas superiores que van desde 2066 hasta 2106 °C; estas altas temperaturas hacen que en la zona de reacción se presente combustión a alta temperatura (>1300 °C), la cual favorece los mecanismos de formación del NOx térmico, pues a estas temperaturas, el NOx es iniciado principalmente por la formación de tres radicales libres: nitrógeno, oxígeno y OH, que provienen de la oxidación del nitrógeno circundante bajo el calor liberado durante la combustión, y reaccionan con las moléculas presentes en el aire, llevando a una rápida formación de NOx [9], además, se debe tener en cuenta que las emisiones de NOx aumentan exponencialmente con la temperatura [9]. De igual forma se ha encontrado que las altas temperaturas influyen sobre la vida útil de los hornos, Ul -Hamid et al, mostraron que al exponer el material excesivamente a altas temperaturas (superiores a 900 °C), se presentan grietas en la superficie de los tubos como resultado de la aceleración de la carburación por la temperatura [18]; asimismo, se ha encontrado que en los procesos petroquímicos la causa principal de las fallas en los tubos se presenta por corrosión a alta temperatura, pues se genera oxidación, sulfidación, carburación y formación de polvo metálico [19].…”

“…Otros estudios analizan las emisiones de NO y CO 2 utilizando diferente relación combustible/gas de refinería, rico en hidrógeno, en calderas de media y alta presión, cuyos resultados muestran que se puede ahorrar costos en el combustible y reducir las emisiones de gases de efecto invernadero utilizando el GR [9,10], todas estas investigaciones se basan en el hecho de que el hidrógeno es catalogado como un combustible limpio por su poder calorífico sin la generación de contaminantes o residuos [11]. Otro parámetro a analizar con el GR es el exceso de aire, pues afecta tanto la eficiencia térmica como a los impactos ambientales generados en los hornos [12].…”

Pollutant Emission Reduction and Engine Performance Improvement by Using a Semi-Direct Injection Spark Ignition Engine Fuelled by LPG

“…By taking the average of all testing points in the map, the reduction of BSNO x for SDI is 47.0%, as compared with original gasoline engine. It could be explained that the principal source of NO x is the oxidation of atmospheric nitrogen, which is temperature and oxygen concentration dependent (Lee et al, 2006;Wang et al, 2012). In homogeneous charge combustion, NOx emission increases tremendously because its air/fuel ratio is close to the peak value for NO x emission production.…”

Reuse of Recovered Waste Tail-Gas in a Full-Scale Furnace

“…The results show that for the mediumpressure boiler with 50-70% loading, 4.8-8.0 × 10 6 m 3 /year of natural gas can be saved, and 1.8-3.0 × 10 4 t/year of carbon dioxide emissions can be reduced. For the highpressure boiler with 50-70% loading, savings of natural gas consumption is 7.7 × 10 6 -1.3 × 10 7 m 3 /year, and carbon dioxide emission reduction is 1.3-2.2 × 10 4 t/year (Lee et al, 2006;Hsieh and Jou, 2007;Lee et al, 2007;Jou et al, 2008a, b).…”