Verification of industrial catalytic baghouse filter in a WTE plant for NOx reduction with filterbag fouling model and micro-kinetic SCR reaction scheme

This work is the result of a seven-month internship in the municipal waste incineration plant of Padua. Line 1 of this WTE plant performs ammonia SCR reaction in a baghouse filter, where catalytic filterbags have been installed. This prototype product is manufactured by W.L. Gore & Associates Inc., which has collaborated for this work by bestowing specific design values of their catalytic filterbags. Since polymeric fibres of the filtering cloth are coated with traditional V2O5/TiO2 catalyst, NOx removal performances of the baghouse filter could be modelled with a micro-kinetic reaction scheme from literature. Due to the fact that kinetic model is highly dependable on speed of the flue gas flowing through catalytic filterbag, dynamics of airborne solid filtration had to be studied as well, in order to predict SCR conversion. Thus, a modified complete-blocking filtration model has been proposed; data necessary to build the filterbag fouling model have been gathered by means of a pressure-drop test made on the baghouse filter installed in Padua. Precise application of the kinetic scheme to the baghouse filter also required that flue gas dynamics inside the baghouse filter filtration compartment had to be investigated. To this end, a CFD simulation of the compartments of the baghouse filter has been carried out with ANSYS Fluent. In this way, it has been possible to know flue gas pass-through velocity in the catalytic felt along the height of the filterbags. This simulation has been also effective in pointing out other issues about the NOx removal performances of the catalytic filterbags, mainly related to catalyst lifetime. Consequently, modifications in the manufacturing of the catalytic filterbags have been proposed and effects of these changes on NOx conversion have been quantified. Kinetic model combined with filterbag clogging model has been applied also in different operating conditions, confirming the versatility of this treatise, which can be extended to other industrial applications of catalytic filterbags. Consequently, a transient model for ammonia adsorption onto TiO2 has been implemented, in order to describe filterbag catalytic activity under ammonia injection suspension condition. Desorption dynamics have been then used to propose a NH4OH solution injection control scheme, which could take into account ammonia desorption from titanium dioxide. PI controller of this control system has been eventually tuned and its performance has been showed in rejecting disturbances on ammonia and NO concentrations after SNCR treatment, as well as with disturbances on flue gas volume flow rate.

Il presente lavoro di tesi è il risultato di un tirocinio di sette mesi svolto presso il termovalorizzatore di Padova. La riduzione degli NOx provenienti dalla combustione dei rifiuti solidi avviene per quanto riguarda la linea 1 di incenerimento in un filtro a maniche, al cui interno sono stati installati inserti catalitici sperimentali sviluppati da W.L. Gore & Associates, la quale ha concesso le specifiche costruttive degli stessi. Il catalizzatore fissato sulle fibre di polimero fluorurato del pannello filtrante è a base di ossidi di vanadio su TiO2. Poichè il modello cinetico di letteratura selezionato è fortemente dipendente dalla velocità di attraversamento dei fumi all’interno della manica catalitica, per predirre la conversione degli NOx realizzabile dal filtro catalitico è stato necessario costruire anche un modello per lo sporcamento delle maniche da affiancare allo schema cinetico. Per derivare il modello di fouling per le maniche, è stata svolta una prova sperimentale ad hoc in campo sulle perdite di carico generate dal filtro a maniche. In seguito, al fine di studiare il profilo della velocità di attraversamento del gas lungo tutta l’altezza delle maniche, è stata effettuata una simulazione CFD del vessel che contiene le maniche catalitiche con ANSYS Fluent. Con questa simulazione è stato altresì possibile evidenziare che nell’attuale costruzione delle maniche catalitiche il catalizzatore subisce una disattivazione differente nella parte inferiore rispetto alla disattivazione subita dalla parte superiore delle maniche stesse. Pertanto, sono state proposte delle modifiche costruttive per le maniche, le quali sono in grado di uniformare la velocità di attraversamento lungo l’altezza delle maniche; gli effetti di tali modifiche sulle performance catalitiche del filtro sono stati quantificati. Successivamente, i modelli a stazionario proposti per il filtro a maniche analizzato sono stati applicati in condizioni operative differenti, per mostrare la versatilità della trattazione seguita nella costruzione dei modelli stessi. Successivamente è stato costruito un ulteriore modello tempo-dipendente per analizzare i transitori cui il filtro a maniche catatlitiche è soggetto durante una sospensione dell’iniezione di ammoniaca. La dinamica di desorbimento dell’ammoniaca nella situazione di sospensione dell’iniezione di NH4OH in soluzione acquosa è stata utilizzata nuovamente al fine di proporre uno schema di controllo migliorato dell’iniezione di soluzione ammoniacale, che potesse tener conto della presenza dei fenomeni di adsorbimento/desorbimento fisico quantificati in precedenza. Per lo schema di controllo in retroazione proposto si è scelto di utilizzare un controllore PI, il quale è stato tarato in base alla sua risposta in frequenza.