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CIUDEN Ponferrada, 9 th – 13 th September 2013 Fundación Ciudad de la Energía CIUDEN Ponferrada 9 th to 13 th September 2013 Organised by: Hosted by:

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CIUDENPonferrada, 9th – 13th September 2013

FundaciónCiudadde laEnergíaCIUDEN

Ponferrada 9th to 13th September 2013

Organised by: Hosted by:

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CIUDENPonferrada, 9th – 13th September 2013

NOx emissions experiences in a 30 MWth Circulating Fluidized Bed

boiler under oxy combustion conditions

Manuel Gómeza, Jesús Ramosa, Benito Navarretea, Francisco Muñoza, Beatriz Gila, Pedro Oteroa, Reijo Kuivalainenb, Teri Hiltunenb

a Fundación Ciudad de la Energía, II Avenida de Compostilla, nº 2, Ponferrada (León), 24404, Spain

b Foster Wheeler Energia Oy, Relanderinkatu 2, FI-78201 Varkaus, Finland

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NOx

• Types

• Thermal• Fuel• Prompt

• NOx = NO + NO2

• N2O as separate component

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Study of NO and N2O emissions at CIUDEN´s 30 MWth CFB installation

working under both air and oxy-combustion conditions

Objective

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CIUDENPonferrada, 9th – 13th September 2013

FLY ASHSILO

FLY ASHFEEDING SYSTEM

LIMESTONE SILO

LIMESTONEFEEDING SYSTEM

SAND SILO

SAND FEEDINGSYSTEM

FUELSILO FUEL

FEEDING SYSTEM

NATURALGAS

START-UP BURNER

SKID

BOILER FEED WATER

FUE GAS

BOTTOM ASH

FLY ASHSYSTEM

PRIMARY OXIDANT

PRIMARYOXIDANT FAN

OXYGEN

SECUNDARY OXIDANT

SECUNDARYOXIDANT FAN

MIXER

FLY

ASH

R

ECIR

CU

LATI

ON

LIM

ESTO

NE

SAN

DFU

EL F

EED

AMMONIATANK

MIXER

MIXER

Experimental Installation

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Cyclon+Bag Filter

FLUE GAS RECIRCULATION

O2

NO/N2O measurement

Instrumentation

AIR

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Stability Period

bed temperature (ºC)

O2 excess (vol.% wet basis)

Steam flow (kg/h)

flue gas flow (kg/h)

SO2(ppmV)

coal flow (t/h)

STABLE PERIOD

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NO

N2O

Bed Temperature

NO/N2O determination

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Operating variables influencing NOand N2O emission

• Temperature

• Limestone addition

• Load

• Oxygen content in the oxidant (FGR ratio)

• Primary/secondary oxidant distribution

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Fuel 1- AnthraciteProximate analysis (wt. %)

Moisture content (as received)

4.95

Ash (dry basis) 34.14Volatiles (dry basis) 7.57

Fix carbon (dry basis) 58.28Ultimate analysis (wt. % dry basis)

C 58.27H 1.95N 0.79S 0.98

HHV (Kcal/kg, wet basis) 5040

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• Air/oxy modes• Different bed temperatures• Different limestone injection rates• High load operation• 3-5 excess oxygen (vol. % db)• Primary/secondary oxidant ratio = 0.8 - 0.9 (exceptionally 0.6 - 0.7)

Testing conditions

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CIUDENPonferrada, 9th – 13th September 2013

0

50

100

150

200

250

300

840 860 880 900 920 940

NO

ppm

vw

et

Temperature (°C)

0

50

100

150

200

250

300

1 2 3 4

Ca/S molar ratio

AIR OXY

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CIUDENPonferrada, 9th – 13th September 2013

0

50

100

150

200

250

300

840 860 880 900 920 940

N2O

ppm

vw

et

Temperature (°C)

0

50

100

150

200

250

300

1 2 3 4Ca/S molar ratio

AIR OXY

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CIUDENPonferrada, 9th – 13th September 2013

Fuel 2- Blend: Anthracite/Petcoke(70/30 % weight)

Proximate analysis (wt. %)Moisture content (as

received) 4.83

Ash (dry basis) 24.65Volatiles (dry basis) 8.05

Fix carbon (dry basis) 67.30Ultimate analysis (wt. % dry basis)

C 66.29H 2.42N 1.06S 2.24

HHV (Kcal/kg, wet basis) 8381

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CIUDENPonferrada, 9th – 13th September 2013

• Air/oxy modes• Different bed temperatures• Different limestone injection rates• High load operation• 3-5 excess oxygen (vol. % db)• Primary/secondary oxidant ratio = 0.80 - 0.90 (exceptionally 0.6 - 0.70)

Testing conditions

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CIUDENPonferrada, 9th – 13th September 2013

0

50

100

150

200

250

300

840 860 880 900 920 940

NO

ppm

vw

et

Temperature (°C)

0

50

100

150

200

250

300

1 2 3 4Ca/S molar ratio

AIR OXY

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CIUDENPonferrada, 9th – 13th September 2013

0

50

100

150

200

250

300

840 860 880 900 920 940

N2O

ppm

vw

et

Temperature (°C)

0

50

100

150

200

250

300

1 2 3 4

Ca/S molar ratio

AIR OXY

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CIUDENPonferrada, 9th – 13th September 2013

NH3 injection

• 25 % weight water solution• Oxy-combustion conditions• Limestone injection• 3-5 % excess oxygen (vol. % db)• Different bed temperatures•Primary/secondary oxidant ratio = 0.8 - 0.9 (exceptionally 0.6 – 0.7)

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NH3 injection

Selected point

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CIUDENPonferrada, 9th – 13th September 2013

0

50

100

150

200

250

300

0 2.3 3.4 4.6

NO

ppm

vw

et

Kg NH3/h

T = 920

T = 904

T = 892

T = 890

T = 888

T = 865

T = 855

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CIUDENPonferrada, 9th – 13th September 2013

0

50

100

150

200

250

300

0 2.3 3.4 4.6

N2O

ppm

vw

et

Kg NH3/h

T = 920

T = 904

T = 892

T = 890

T = 888

T = 865

T = 855

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CIUDENPonferrada, 9th – 13th September 2013

Preliminary Conclusions• NO dominates NOx emission

• NO emission increases with temperature increase• N2O emission decreases with temperature increase

• NO emission increases with limestone addition increase• High limestone addition rates do not affect N2O emission

• NH3 injection decreases NO emission• NH3 injection does not affect N2O emission

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Future research work

• Validation of these preliminary results

• Influence of operating conditions

• Heterogeneous reactions (solid-gas phases)

• Other fuels. Same behaviour?

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Acknowledgement

The work presented is co-financed under the “FP7 FLEXIBURNCFB” and

the “EEPR09-CCS- COMPOSTILLA” projects.

The European Union is not responsible for any use that may be made of the information contained therein.

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THANK YOU VERY MUCH FOR YOUR ATTENTION

For further information, please contactManuel Gómez, [email protected]