Coal combustion in an oxygen-enriched atmosphere vs pollutants
M. Kowalik 1  
,   M. Zajemska 1
 
More details
Hide details
1
Politechnika Częstochowska, Wydział Inżynierii Procesowej, Materiałowej i Fizyki Stosowanej, Zakład Pieców Przemysłowych i Ochrony Środowiska
 
Polityka Energetyczna – Energy Policy Journal 2013;16(2):85–101
 
KEYWORDS
ABSTRACT
Presently, the energy industries of the vast majority of countries are based on non- renewable sources. However, the use of natural resources in energy production is connected with the emission of harmful combustion byproducts. Growing awareness of the negative impact of pollution on the environment and above all human health, has led to increasing research in the field of combustion technology, which will allow a significantly reduction in farmed pollutants. This article presents an analysis of the process of oxygen-enriched hard coal combustion in a fluidized bed. Bearing in mind the environmental protection requirements concerning the reduction in the emissions of pollutants, this analysis paid particular attention to the problems of the formation of harmful coal combustion byproducts. In order to estimate the chemical content of fumes, numerical modeling was applied. Calculations were conducted using the latest version of the CHEMKIN program for the Perfectly Stirred Reactor (PSR), based on a modified GRI-Mech 3.0 mechanism including 152 chemical reactions and 46 elements and chemical compounds. The conducted calculations allowed this study to assess the impact of the gas atmosphere’s content on the concentration of carbon dioxide, sulfur oxides, nitric oxides and carbon monoxide, while also allowing for a better understanding of the mechanisms forming respective pollutants. The results obtained in the model tests were represented graphically and analyzed. The research results prove that the coal combustion in oxygen-enriched atmosphere leads to CO2 concentration in flue gas increase, what allows to its reduction by the sequestration.
METADATA IN OTHER LANGUAGES:
Polish
Spalanie węgla kamiennego w powietrzu wzbogaconym tlenem a zanieczyszczenia
spalanie w powietrzu wzbogaconym tlenem, węgiel kamienny, kocioł fluidalny, numeryczne modelowanie, emisja zanieczyszczeń
Obecnie zdecydowana większość państw opiera swój przemysł energetyczny na źródłach nieodnawialnych. Jednak energetycznemu wykorzystaniu zasobów naturalnych towarzyszy emisja szkodliwych produktów spalania. Rosnąca świadomość negatywnego oddziaływania zanieczyszczeń na środowisko, a przede wszystkim na organizm ludzki doprowadziła do wzrastającej aktywności badań w obszarze technologii spalania, które w znacznym stopniu pozwolą na ograniczenie tworzących się zanieczyszczeń. W niniejszym artykule przedstawiono analizę procesu spalania węgla kamiennego w powietrzu wzbogaconym tlenem w eksperymentalnej komorze fluidalnej. Mając na uwadze wymagania dotyczące ochrony środowiska w kwestii ograniczenia emisji zanieczyszczeń szczególną uwagę zwrócono na problematykę formowania szkodliwych produktów spalania węgla. W celu oszacowania składu chemicznego spalin wykorzystano numeryczne modelowanie. Obliczenia wykonano w najnowszej wersji programu CHEMKIN dla reaktora idealnego wymieszania (PSR), opierając je na zmodyfikowanym mechanizmie GRI- Mech 3.0 obejmującym 152 reakcje chemiczne oraz 46 pierwiastków i związków chemicznych. Przeprowadzone obliczenia pozwoliły na ocenę wpływu składu atmosfery gazowej na stężenie: dwutlenku węgla, tlenków siarki, tlenków azotu i tlenku węgla, a także umożliwiły głębsze poznanie mechanizmów tworzenia się poszczególnych zanieczyszczeń. Otrzymane wyniki badań modelowych przedstawiono graficznie oraz dokonano ich analizy. Zaprezentowane wyniki badań dowodzą, że spalanie węgla kamiennego w powietrzu wzbogaconym tlenem prowadzi do wzrostu stężenia CO2 w spalinach, co pozwala na jego ograniczenie w drodze sekwestracji.
 
REFERENCES (31)
1.
AHN i in. 2010 – AHN J., OVERACKER D., OKERLUND R., FRY A., EDDINGS E. G., 2010 – SO3 formation during oxy-coal combustion. 35th International Technical Conference on Clean Coal and Fuel Systems, Clearwater, Florida.
 
2.
ALVAREZ i in. 2011 – ALVAREZ L., GHAREBAGHIM., POURKASHANIANM.,WILLIAMS A., RIAZA J., PEVIDA C., PIS J.J., RUBIERA F., 2011 – CFD modelling of oxy-coal combustion in an entrained flow reactor. Fuel Processing Technology 92.
 
3.
BIS Z., 2010 – Kotły fluidalne teoria i praktyka. Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa.
 
4.
CORMOS i in. 2008 – CORMOS C.C, STARR F., TZIMAS E., PETEVES S., 2008 – Innovative concepts for hydrogen production processes based on coal gasification with CO2 capture. International Journal of Hydrogen Energy 33, s. 1286–1294.
 
5.
BUHRE i in. 2005 – BUHRE B.J.P., ELLIOTT L.K., SHENG C.D., GUPTA R.P, WALL T.F., 2005 – Oxy-fuel combustion technology for coal-fired power generation. Progress in Energy and Combustion Science Vol. 31, s. 283–307.
 
6.
CHEN i in. 2012 – CHEN L., ZHENG YONG S., GHONIEM A.F., 2012 – Oxy-fuel combustion of pulverized coal: Characterization, fundamentals stabilization and CFD modeling. Progress in Energy and Combustion Science 38, s. 156–214.
 
7.
HU i in. 2001 – HU Y.Q., KOBAYASHI N., HASATANI M., 2001 – The reduction of recycled – NOx in coal combustion with O2/recycled flue gas under low recycling ratio. Fuel 80, 1851–1855.
 
8.
NADZIAKIEWICZ J., 2005 – Źródła zanieczyszczeń powietrza i metody oczyszczania gazów z zanieczyszczeń pyłowych i gazowych. Wyd. WSEiA, Bytom.
 
9.
http://www.ekoportal.gov.pl/ – dn. 16.01.2013 r.
 
10.
http://www.stat.gov.pl/ – dn. 22.01.2013 r.
 
11.
KAMIŃSKI J., 2010 – Modelowanie systemów energetycznych: ogólna metodyka budowy modeli. Polityka Energetyczna tom 13, z. 2, s. 219–226.
 
12.
KLANK M., 2007 – Przyszłość węgla – nowe spojrzenie na jego wykorzystanie. Polityka Energetyczna t. 10, z. 1, s. 41–49.
 
13.
KORDYLEWSKI W., 2008 – Spalanie i paliwa. Oficyna Wyd. Politechniki Wrocławskiej, Wrocław.
 
14.
KOWALEWICZ A., 2000 – Podstawy procesów spalania. Wyd. Naukowo-Techniczne, Warszawa.
 
15.
KRZYWAŃSKI i in. 2001 – KRZYWAŃSKI J., CZAKIERT T., MUSKAŁA W., NOWAK W., 2001 – Modelling of CO2, CO, SO2, O2 and NOx emissions from the oxy-fuel combustion in a circulating fluidized bed. Fuel Processing Technology 92, s. 590–596.
 
16.
LASEK J., 2011 – Spalanie w tlenie a emisja tlenków azotu. Stan wiedzy i perspektywy badawcze. Energetyka nr 7, s. 426–433.
 
17.
LI i in. 1998 – LI Y. H., LU G.Q., RUDOLPH V., 1998 – The kinetics of NO and N2O reduction over coal chars in fluidized – bed combustion. Chemical Engineering Science. Vol. 53, No. 1, s. 1–26.
 
18.
LI i in. 2008 – LI S., XU T., SUN P., ZHOU Q., TAN H., HUI S., 2008 – NOx and SOx emissions of a high sulfur self-retention coal during air-staged combustion. Fuel 87, s. 723–731.
 
19.
MACKRORY A.J., TREE D.L., 2012 – Measurement of nitrogen evolution in a staged oxy-combustion coal flame. Fuel 93, s. 298–304.
 
20.
MAZUR M., 2004 – Systemy ochrony powietrza. Wyd. AGH, Kraków.
 
21.
MUSKAŁA i in. 2008 –MUSKAŁAW., KRZYWAŃSKI J., CZAKIERT T., SEKRET R., NOWAKW., 2008 – Spalanie w atmosferach modyfikowanych O2, CO2. Energetyka nr 10 , s. 713–718.
 
22.
NAJJAR Y.S.H., 2011 – Gaseous pollutants formation and their harmful effects on health and environment. Innovative Energy Policies Vol. 1, s. 1–9.
 
23.
NORMANN i in., 2009 – NORMANN F., ANDERSSON K., LECKNER B., JOHNSSON F., 2009 – Emission control of nitrogen oxides in the oxy-fuel process, Progress in Energy and Combustion Science 35, s. 385–397.
 
24.
NOWAK W., CZAKIERT T., red. 2012 – Spalanie tlenowe dla kotłów pyłowych i fluidalnych zintegrowanych z wychwytywaniem CO2. Wyd. Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa.
 
25.
NOWAK W., PRONOBIS M. (red.) 2010 – Nowe technologie spalania i oczyszczania spalin. Wyd. Politechniki Śląskiej, Gliwice.
 
26.
PIOTROWSKI K. (red.), 2006 – Podstawy toksykologii. Kompendium dla studentów szkół wyższych. Wyd. 2. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne WN, Warszawa.
 
27.
TARNOWSKI W., BARTKIEWICZ S., 1998 – Modelowanie matematyczne i symulacja komputerowa. Wyd. Feniks. Koszalin, s. 1–52.
 
28.
TOFTEGAARD i in., 2010 – TOFTEGAARD M.B., BRIX J. , JENSEN P.A., GLARBORG P., JENSEN A.D., 2010 – Oxy-fuel combustion of solid fuels. Progress in Energy and Combustion Science Vol. 36, s. 581–625.
 
29.
TRZOS M., 2007 – Tendencje rozwojowe w modelowaniu zjawisk i procesów tribologicznych. Zagadnienia eksploatacji maszyn (153) z. 3, s. 73–87.
 
30.
WILK R.K., 2000 – Podstawy niskoemisyjnego spalania. Wyd. Gnome, Katowice.
 
31.
ZAJEMSKA M., 2011 – Wymagania stawiane technice obliczeniowej w zakresie numerycznego modelowania składu chemicznego produktów spalania. Modelowanie inżynierskie 41, s. 453–461.
 
ISSN:1429-6675