Low Temperature DeNOx Technologies for Power and Waste Incineration Plants

摘要

Dannelse af NOx gasser i forbindelse med forbrændingsprocesser ved høj temperatur, i luft, er stort set uundgåeligt. Udledning af NOx er et stort miljøproblem da disse kan indgå i skadelige fotokemiske reaktioner i troposfæren og stratosfæren, og derved medvirke til nedbrydelse af ozonlaget. Ydermere kan udledning af NOx gasser føre til syreregn og smogdannelse, samt foranledige celleforandringer og luftvejssygdomme hos mennesker. Der er ingen tvivl om, at menneskeskabt udledning af drivhusgasser bidrager til klimaforandringerne der opleves over hele verden. Udregnet i CO ækvivalenter, overgår bidraget fra menneskabt udledning af CO det samlede bidrag fra alle andre drivhusgasser.Over de seneste årtier har man forsøgt at imødekomme denne udvikling ved i større grad at overgå fra fossile brændsler til mere CO2-effektive alternativer, såsom biomasse og brændbart affald. Dette sænker CO2 udledningen markant, men medfører desværre andre problemer. Især er deaktivering af den katalysator, der benyttes til at fjerne NOx et stort problem. Deaktiveringen skyldes primært tilstedeværelsen af store mængder alkalimetaller i nogle af de alternative brændsler, som bliver til ødelæggende aerosoler under forbrændingsprocessen. Derfor er det ikke, i øjeblikket, muligt at fjerne NOx når disse brændsler benyttes alene. Dette begrænser kraftigt muligheden for en fuldstænding omstilling af energiproduktionen til disse alternative brændsler. Dette projekt har primært omhandlet udvikling af en alternativ løsning til NOx fjernelse i biomasse og affaldsforbrændingsprocesser. Målet har været, at gøre dette ved at udvikle en proces der muliggør en flytning af deNOx enheden, så denne er den sidste røggassen passerer, en såkaldt "tail-end"løsning. Når røggasen kommer til "tail-end"positionen har den passeret en vådscrubber som udover at fjerne SO2 ogsåfjerner størstedelen af de elementer der kan skade katalysatoren. Den største udfordringer for at få processen til at virke, er at luftfugtigheden er høj (ofte over 10%) og temperaturen lav (mellem 60 og 140°C). Tidligere studier har vist, at ioniske væsker (ILs) selektivt kan fjerne skadelige røggaskomponenter som CO2, SO2 og NO. Den praktiske anvendelse af ioniske væsker hindres dog markant af en høj viskositet der vanskeliggør masseoverførslen i gas/væskegrænselaget. Det er tidligere blevet påvist, at man ved at suspendere den ioniske væske på et porøst bæremateriale kan lette masseoverførslen og dermed løse problemet, dette kaldes også "supported ionic liquid phase", eller SILP. Formålet med dette projekt har især været at udvikle og afprøve forskellige SILP materialer, for at bestemme hvor længe de kan fjerne alt NO fra en simuleret røggas, såkaldte "breakthrough"eksperimenter. Grundet en stor forskel i præstation for ellerssammenlignelige bærematerialer, blev det forsøgt at opnå en dybere forståelse af bærematerialets fysiske og kemiske egenskaber, og deres indvirkning på reaktionen. På baggrund af disse studier, var det muligt at foreslå en formulering af det mest optimale bæremateriale. Det optimale bæremateriale var en form for hule silica kugler i nano-størrelse (hollowsphere silica, HS), som blev syntetiseret i samarbejde med Prof. Sheng Dai og hans gruppe ved Oak Ridge National Laboratory under udvekslingsdelen af projektet. HS-bærematerialet blev brugt til at formulere et SILP materiale, som blev sammenlignet med de SILP materialer der tidligere var blevet studeret. Sammenligning mellem SILP materialerne viste, at HS-SILP materialet var flere gange bedre end de hidtil bedste SILP materialer. Derudover, blev det foreslået at HS-bærematerialet kan være med til at forbedre effektiviteten af andre SILP materialer der pt. er under udvikling til selektiv absorption af andre skadelige røggaskomponenter. Under udviklingen af SILP materialerne viste det sig at flere af materialerne kunne oxidere NO til højere NOx specier. Det viste sig dog, at den oxidative effekt skyldtes alkoholrester fra imprægneringen, dette til trods for at SILP materialerne blev tørret grundigt under vakuum, inden brug. For at undersøge dette nærmere blev effekten af en lang række alkoholer analyseret ved at dryppe dem ned på SILP reaktoren og dernæst lede en gas med NO, ilt og vand hen over reaktoren. Resultaterne fra disse foreløbige forsøg var så lovende at der blev bygget en forsøgsopstilling for at undersøge om oxidationen også kunne opnås under kontinuært flow. Det var muligt at replikere den høje omdannelse der tidligere var blevet vist. Derudover viste det sig at oxidationen forløber over alle porøse materialer, men at tilstedeværelsen af en ionisk væske øger reaktionshastigheden.