The application of chemical kinetic models in numerical simulation of the process of non-catalitic reduction of NOX with amonia in biomass combustion products

Abstract

Istraživanja vezana za razvoj sekundarnih mera denitrifikacije dimnih gasova sagorevanja agrarne biomase su sve aktuelnija zbog sve intenzivnije primene ovog obnovljivog goriva i pospešivanja održivog razvoja, odnosno smanjenja potrošnje fosilnih goriva. Pri tome agrarna biomasa kao gorivo, pored niza prednosti, ima važan nedostatak zbog značajne emisije azotnih oksida. U radu se u prvom redu analiziraju hemijske reakcije selektivne nekalitičke redukcije azot-monoksida primenom amonijaka kao reagensa. Analiziraju se dva kinetička modela, jedan krajnje uprošćen, koji uzima u obzir samo dve neto reakcije i složeniji sa sedam hemijskih reakcija. Razmatrani hemijsko-kinetički modeli su inkorporirani u sveobuhvatni CFD model složenih procesa u eksperimentalnoj denitrifikacionoj komori za simuliranje procesa industrijske denitrifikacije. Pri tome je obavljena sveobuhvatna analiza procesa, koja uključuje simulaciju strujanja, mešanja komponenti i praćenje lokalnih hemijskih reakcija. Rezultati numeričke simulacije procesa u eksperimentalnoj denitrifikacionoj komori su poređeni sa eksperimentima iz literature, kao i sa rezultatima modela drugih autora. Pri tome su obezbeđeni isti granični uslovi odvijanja razmatranih procesa, tj ulazne koncetracije komponenta su: 300 ppm NH3, 300 ppm NO, 4.0% O2, 4.5% H2O, a vreme boravka reaktanata u komori je 150 ms. Ključne reči: biomasa, sagorevanje, emisija azotnih oksida, denitrifikacija.

Research related to the development of secondary measures of denitrification of agrarian biomass combustion gases is becoming more and more actual due to the increasingly intensive application of this renewable fuel and the promotion of sustainable development, ie, the reduction of consumption of fossil fuels. Thereby, in spite of a number of advantages, agrarian biomass has an important disadvantage due to significant emissions of nitrogen oxides. The paper deals primarily with the chemical reactions of selective noncatalytic reduction of nitrogen monoxide using ammonia as a reagent. Two kinetic models, one rather simplistic, which takes into account only two net reactions and other, more complex with seven chemical reactions, are analyzed. The considered chemicalkinetic models are incorporated into a comprehensive CFD model of complex processes in an experimental denitrification chamber. The CFD model was included flow simulation, components mixing and monitoring of local chemical reactions. The results of presented numerical simulation were compared with literature experiments, as well as with the results of other authors' models. The same boundary conditions of the considered processes are provided, i.e. the input concentrations of the component are: 300 ppm NH3, 300 ppm NO, 4.0% O2, 4.5% H2O, and the residence time of the reactants in the chamber is 150 ms.