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Autore: W.H. Sun, P.G. Carmignani, J.M. Boyle, P. Ponzoni

Collana: FM - 2004 Sorrento - Third International Symposium - Energy and Environment

Note:
On-line urea decomposition using the NOxOUT ULTRA® Process has been successfully applied to four commercial SCR installations. In each case, urea is thermally converted to SCR reagents and fed into the injection grid. The first full commercial installation of the NOxOUT ULTRA® system was completed in 2003 at NIPSCO’s Michigan City Generation Station, with the Unit #12 SCR system. The plant’s location required a urea-based process to avoid handling, storage and transportation hazards associated with ammonia. The boiler is a B&W cyclone-fired unit rated at 520 MWe. With a baseline NOx of approximately 500 ppm, the SCR system required a reagent feed rate equivalent to 1200 lb/hr (544 kg/hr) and reduced NOx to 50 ppm. The Ultra installation included dry urea storage, a urea solutionizer, aqueous urea storage tanks and a circulation system, as well as metering and distribution modules to supply the injectors. This particular urea decomposition chamber used a natural gas burner. A PLC-based system control and a burner management system were supplied to complete the system. The outlet of the decomposition chamber, carrying the decomposed urea products feeds the SCR system’s ammonia injection grid (AIG).

During this first start-up, the Ultra system continued to provide SCR reagent for NOx reduction even with the accumulation of urea byproducts inside the decomposition chamber due to unanticipated internal spray impingement. The system was modified and the spray impingement was eliminated. The system was operated through the end of the summer ozone season and performance has been demonstrated to be consistent with the system design and equivalent to an ammonia based SCR system.

The NOxOUT ULTRA® Process was also commercially installed on two 15 MW Turbine/HRSG units for MATEP. These systems were optimized early this year. The two systems were designed to provide SCR reagent equivalent of up to 25 lb/hr (11 kg/hr) of ammonia to each of the two separate exhaust streams. The two supply trains are interlocked, and so may be operated together to provide redundancy. In this much smaller application, the customer opted for two small systems using a 40% urea solution and electrical heating elements. Although this is a less energy efficient system, the more dilute urea solution can be stored without heating concerns and the elimination of the natural gas burner simplified operation for the customer.

Two additional full-scale SCR systems were completed this year for Northern Illinois Public Service Co. (NIPSCO). NOxOUT ULTRA® systems were constructed, installed, and initialized at Bailly Station, a 360 MW cyclone fired utility boiler burning coal, and at Schahfer Station, a 520 MW cyclone fired utility boiler also burning coal. These two systems incorporated design changes resulting from the previous NIPSCO installation process. Both units were tuned and initialized with minimal changes to the injector configuration and spray characteristics.

All four of these commercial applications are operating during this 2004 ozone season.



Il processo di Riduzione Catalitica Selettiva (SCR) degli ossidi d’azoto è divenuto uno standard per soddisfare le più restrittive norme nel campo di riduzione degli NOx nelle centrali termoelettriche. Tradizionalmente, il processo SCR usa ammoniaca (NH3) come reagente, costringendo gli operatori a affrontare sempre più numerose problematiche inerenti la sicurezza. e i costi che ne conseguono. Il sistema NOxOUT ULTRA® di Fuel Tech è una semplice alternativa che propone la produzione di ammoniaca a partire da urea. Il Sistema NOxOUT ULTRA® ha eliminato tutte le problematiche dovute alla movimentazione dell’ammoniaca in termini di costo per sicurezza e salvaguardia dell’ambiente. L’urea è facilmente disponibile in soluzione acquosa o in forma granulare, non richiede particolari precauzioni di sicurezza e permette di stoccare la soluzione acquosa in serbatoi non pressurizzati.
Il processo NOxOUT ULTRA® si basa sulle reazioni controllate della decomposizione dell’urea che avvengono in una camera destinata a fornire una temperatura ed un tempo di residenza specifico all’applicazione.

Le reazioni del processo NOxOUT ULTRA® sono le seguenti:

CO(NH2)2 à NH3 + HNCO
HNCO + H2O à NH3 + CO2

L’urea si decompone in NH3 e HNCO. HNCO si converte in NH3 e CO2 reagendo con acqua. Il reattivo risultante di questo processo segue il tipico processo SCR post-combustione per produrre azoto e acqua.

Le reazioni principali del processo SCR sono le seguenti:

4 NO + 4 NH3 + O2 à 4 N2 + 6 H2O
NO + NO2 + 2 NH3 à 2 N2 + 3 H2O (dominante)
4 NO + 4 HNCO + O2 à 4 N2 + 4 CO2 + 2 H2O

Il processo NOxOUT ULTRA® è stato applicato con successo in quattro installazioni industriali SCR. In ciascuna applicazione l’urea viene termicamente convertita in ammoniaca che poi alimenta la griglia di iniezione a monte del catalizzatore.
La prima installazione NOxOUT ULTRA® è stata completata nel 2003 presso NIPSCO’s Michigan City Generation Station per l’unità SCR #12. La posizione dell’impianto richiedeva un processo che si basasse su urea per evitare i rischi di movimentazione, stoccaggio, e trasporto connessi all’utilizzo di ammoniaca. La caldaia è da 520 Mwe, la baseline NOx è di 500 ppm e con un’alimentazione di reagente di 544 kg/h si riduce a un valore di 50 ppm. L’installazione in oggetto include lo stoccaggio di urea allo stato solido, un solubilizzatore, serbatoi di stoccaggio della soluzione, gruppo di circolazione, moduli di dosaggio e distribuzione alle lance installate nella camera di decomposizione; quest’ultima è provvista di un bruciatore a gas. Un quadro di controllo con PLC e un sistema di gestione del bruciatore completano il sistema. L’urea decomposta va poi ad alimentare la griglia di iniezione ammoniaca (AIG) a monte del catalizzatore.

Durante il primo start-up il sitema Ultra ha continuato a produrre il reagente SCR per la l’abbattimento degli NOx, nonostante la formazione di sottoprodotti all’interno della camera di decomposizione, dovuti a una non perfetta distribuzione dell’urea all’interno della camera. Con alcune modifiche tali problemi sono stati definitivamente risolti. L’impianto ha fornito le performances di progetto, equivalenti a sistemi SCR ad ammoniaca.

Il sistema NOxOUT ULTRA® è stato realizzato anche per due turbine/HRSG da 15 MW presso la società MATEP. Queste applicazioni sono state ottimizzate all’inizio di quest’anno e prevedono l’utilizzo di 11 kg/h di ammoniaca per ciascuna turbina.

Altre due applicazioni sono state completate per Northern Illinois Public Service Co. (NIPSCO). Questi due sistemi NOxOUT ULTRA® sono stati installati presso Bailly Station (360 MW) e Schahfer Station (520 MW) entrambe alimentate a carbone. Entrambi gli impianti hanno fatto tesoro della prima esperienza Ultra in NIPSCO e sono state ottimizzate con minimi perfezionamenti dell’iniezione di urea.

Tutte queste quattro applicazioni sono attualmente regolarmente in marcia e i risultati indicano che il sistema basato sulla decomposizione dell’urea consente performance equivalenti a quelli che utilizzano ammoniaca in soluzione, inoltre il sistema NOxOUT ULTRA® consente una più semplice e rapida gestione degli avviamenti e delle fermate e minimi tempi di risposta alle variazioni di carico delle unità da trattare.