ALKALMAZOTT KUTATÁS EGY SAJÁTOS MÓDSZER

Lángkutatás AlkalmazásaMassachusetts Institute of Technology

1988-1996Dunamenti Erőmű

1996-2000

Dr. Barta LászlóELTE

2008. március 8.

KÖSZÖNTŐ• János M. Beér• Professor Emeritus of Chemical and Fuels Engineering

• Department of Chemical Engineering Massachusetts Institute of Technology Room 66-30177 Massachusetts AveCambridge MA 02139 USA

• Phone: 617.253.6661Fax: 617.258.5766Email: jmbeer@mit.edu

• D.Sc., University of Sheffield, England, 1968 Ph.D., University of Sheffield, England, 1960 Dipl.-Ing., Technical University of Budapest, 1950

• Honors and Awards The US Department of Energy's Homer Lowry Award, 2003 The George Westinghouse Gold Medal of ASME International, 2001 Energy Systems Award, American Institute of Aeronautics and Astronautics, 1998 Honorary Doctorate, University of Technical Sciences of Budapest, Hungary, 1997 Axel Axelson Johnson Medal of the Royal Swedish Academy of Engineering, 1995 Honorary Member, Hungarian National Academy of Engineering, 1991 Foreign Member, Finnish Academy of Engineering, 1989 ASME Percy-Nicholls Award, 1988 Honorary Doctorate, University of Miskolc, Hungary, 1987 Honorary Member Hungarian Academy of Science, 1986 Coal Science Gold Medal, BCURA, 1986 Egerton Gold Medal of the Combustion Institute, 1986 Melchett Medal of the Institute of Energy, 1985 Fellow, Royal Academy of Engineering (U.K.), 1978

• Research Interests _ clean fossil energy electric power generation _ turbulent combustion of gaseous, liquid and solid fuels _ reduction of pollutant emission from flames by combustion process modification

J.M.Beér and N.A. Chigier: Combustion Aerodynamics , 1972, 1983.

Beérné Csathó Márta: Vándortarisznyámból, 2002. Kalandozásaink, 2003.

KUTATÁS JELLEMZŐI

• Motiváció (rendeletek, gazdaságosság)• Konkrét cél (NOx csökkentés, hatásfok emelés)• Ötlet (lexikális és speciális tudás)• Modellezés (kémiai kinetika, transzport folyamatok, áramlástan)• Pénzforrás (támogatás, bank, tulajdonos)• Kísérlet (laboratóriumi, kis-minta, nagy-minta, prototípus)• Szabadalmaztatás (szellemi tulajdon védelme)• Ipari hasznosítás (erőművek)

ALACSONY NOx ÉGŐ• Motiváció Környezetvédelmi rendeletek, alacsony

beruházási költségű megoldás.• Konkrét cél 100-200 mg/Nm3

(6% O2) földgáz tüzelésnél.• Ötlet A levegő és a tüzelőanyag kontrolált keverése

speciálisan kialakított égővel. Forgó áramlás és radiális sztratifikáció elveinek felhasználása.

• Modellezés Kémiai mechanizmusok (metán égése, nitrogén oxidok

képződése) és áramlástani számítások (sztratifikáció). CHEMKIN és FLUENT számítógépes programok.

• Pénzforrás Combustion Engineering (CE), EPRI (anyagi

érdek, környezetvédelem)

• Kísérlet 1 MW termikus teljesítményű égő és kazán berendezés. Részletes lángvizsgálat. 10 MW teljesítményű prototípus (Winsor). 50 MW teljesítményű termék (Combustion Engineering)

• Szabadalmaztatás MIT kizárólagos tulajdon. MIT-ALSTOM hasznosítási szerződés. MIT-Feltalálók részesedési szerződés.

• Ipari hasznosítás CE csak amerikai piac, évi 1000 db szállítása.

KÉMIAI SZÁMÍTÁSOK• Zeldovich mechanizmus

N2 + O = N + NO

N + O2 = O + NO• Metán égése (Miller és Bowman részletes

mechanizmus)

helyi hőmérséklet és oxigén koncentráció csökkentése.

nyújtott lángalak áramlástani létrehozása.

RADIÁLIS TURBULENS KEVEREDÉS

• Tüzelőanyag és levegő turbulens keveredési intenzitásának csökkentése

• Richardson szám (Beér):

1

drdU

rw

drdρ

ρ1

Ri 2

2

*

KISÉRLETI BERENDEZÉS

KISÉRLETI ÉGŐ

MÉRÉSI EREDMÉNYEK

ALACSONY NOx TÜZELÉS A DUNAMENTI ERŐMŰBEN

• Motiváció Környezetvédelmi rendeletek, alacsony beruházási költségű megoldás.

• Konkrét cél 350 mg/Nm3(3% O2) földgáz és 450 mg/Nm3

(6% O2)

olaj tüzelésnél.• Ötlet Égési levegő és füstgáz keverése csökkenti a

lánghőfokot.• Modellezés Kémiai mechanizmusok (metán égése, nitrogén oxidok képződése,

lángkialvás) és áramlástani számítások (intenzív keveredés). CHEMKIN és FLUENT számítógépes programok.

• Pénzforrás Dunamenti Erőmű Rt. (anyagi érdek, környezetvédelem)

• Kísérlet 2x70 MW termikus teljesítményű égő (a 8 db közül 2 db teszt üzemben) és teljes kazán berendezés. Kiterjesztés az összes égőre.

• Szabadalmaztatás Saját kizárólagos tulajdon. MATÜZ-Dunamenti Erőmű Rt. kizárólagos hasznosítási szerződés. MATÜZ-Feltalálók részesedési szerződés.

• Ipari hasznosítás Kizárólag a Dunamenti Erőmű Rt. kazánjaiban.

KÉMIAI SZÁMÍTÁSOK• Zeldovich mechanizmus (+ füstgáz)

N2 + O + FG = N + NO + FGN + O2 + FG = O + NO + FG

• Metán gyulladása és égése (Miller és Bowman részletes mechanizmus)

helyi hőmérséklet csökkentése és lángstabilitás biztosítása.

rövid lángalak (jól kevert) áramlás létrehozása.

FORGÓ ÁRAMLÁS

• Tüzelőanyag és levegő turbulens keveredési intenzitásának növelése

• Perdületszám (impulzus nyomaték, axiális impulzus)(Beér):

6.0)22(

21

0

0

R

R

drrprUU

rdrUWrR

S

KISÉRLETI BERENDEZÉS

Gőzteljesítmény: 670 t/hGőzhőfok: 540 oCGőznyomás: 195 barKazánhatásfok: 93%

Újrahevítési hőfok: 530 oCÚjrahevítési nyomás: 35 bar

Kondenzátor: Direkt hűtővizes

Termelt villamos energia: 215 MWCiklus bruttó hatásfok: 38%

Égők: 8 db függőleges elrendezésú Babcock égő

Tüzelőanyag: földgáz, könnyű olaj

FÜSTGÁZRECIRKULÁCIÓ

8

6

5

7

1

4

2

3

BA

C

D

F

E1

G1

D

E1

G1

F

3

5 4

6

8H

H

A—Re-circulated flue gas duct; B—Combustion Air Duct; C—Flue Gas Belt Duct; D—Belt Duct Damper; E,F—Flue Gas Transfer Ducts; G –Flue Gas Mixer; 1—Furnace; 2—Burners: 3—Flue Gas Re-circulating Fans; 4—FD Fans; 5—Air Pre-heaters; 6—ECO; 7—Stack

MAGAS PERDÜLETSZÁMÚ ÉGŐHőteljesítmény: 70 MW/db

Darabszám: 8

Elrendezés: Függőleges

Gázégő: 12 db körelrendezésű fúvóka

Olajporlasztás: Y-Laval porlasztó gőzsegítéssel

Perdítőelemes kialakitás

Perdületszám: S=0.83

Égéslevegő hőfok: 310 oC

Recirkulált füstgáz mennyisége: max 85 tömeg %

Recirkulált füstgáz hőfoka: 320 OC

Lángőrzés: UV földgázra és Infra olajra

SZABADALMAZTATÁS

NOx Emission from NG Flames in Unit 13.Effect of Flue Gas Recirculation (FGR)

0100200300400500600700800900

1000110012001300

70 90 110 130 150 170 190 210 230 250

Power Generated (MW)

NO

x C

once

ntra

tion

(mg/

Nm

3@3%

O2)

Limit NOx Uncontrolled NOx with FGR

NOx Emission from ETO Flames in Unit 13.Effect of Flue Gas Recirculation (FGR)

0100200300400500600700800900

100011001200

70 90 110 130 150 170 190 210 230 250

Power Generated (MW)

NO

x C

once

ntra

tion

(mg/

Nm

3@3%

O2)

Limit NOx Uncontrolled NOx with FGR

ÖSSZEFOGLALÓMIT Dunamenti Erőmű Megjegyzés

Motiváció Környezetvédelem, Környezetvédelmi rendelet Nemzeti érdek

Konkrét cél Alacsony NOx égő Füstgázrecirkuláció Alacsony költség, magas szellemi input

Ötlet Radiális zónás tüzelés

Alacsony hőfokú, jól kevert láng

Intuitív gondolkodás, lexikális és speciális ismeret

ModellezésRészletes égés kinetika és NO modellek,Áramlási modellek

Részletes égés kinetika és NO modellek,Áramlási modellek

Intenzív alkalmazás, ötletek ellenőrzése. Kémiai, áramlástani, termodinamikai modellek.

PénzforrásVállalati konzorcium, nincs állami támogatás

Kizárólag egy erőmű vállalat Magán szféra

KísérletKis-minta, nagy-minta, prototípus,ipari termék

Kis lépésekben meglévő bernedezés módosítása ipari termékké

Rizikó jelentősen eltérő

SzabadalmaztatásMIT tulajdon és nem kizárólagos használati jogátruházás

Saját tulajdon, kizárólag az erőmű vállalat használati jog. Mindkét esetben fontos

Ipari alkalmazás Kizárólag USA Kizárólag a Dunamenti Erőműben Értékémérő