NOX-bildning vid förbränning

NOX bildas vid förbränning via tre olika mekanismer och man talar därför om bränsle-NOX, prompt NOX och termisk NOX.

Bränsle NOX 

När det kväve som finns bundet kemiskt i bränslet reagerar med luftens syre talar man om bränsle NOx. NOx bildat från den kvävgas som finns i vissa gasformiga bränslen (till exempel i vissa naturgaskvalitéer) är alltså inte bränsle NOx i egentlig mening. Att hålla utsläppen av bränsle NOx nere är viktigt för bränslen med relativt högt innehåll av bundet kväve, till exempel kol.

Prompt NOX

Så kallat prompt NOX bildas genom att oförbrända kolväten från bränslet reagerar med kvävet i luften under friställandet av en kväveradikal som sedan oxideras. Eftersom reaktionen mellan kolvätet och luftens kväve sker vid syreunderskott, bildas prompt NOX i flammans front. Reaktionen är endast svagt temperaturberoende och styrs av tillgången på kolväten. Mekanismen för bildning av Prompt NOX involverar en rad olika intermediära föreningar: I kolväteflammor har CH, CH2, C och C2H (vilka bildas då bränslet fragmenteras) angivits som källor till promt NOX. Av dessa är CH och CH2 de viktigaste. Den numera accepterade mekanismen för bildning av promt NOX involverar följande reaktioner:

CH + N2 → HCN + N
CH2 + N2 → HCN + NH
N + O2 → NO + O
N + OH → CN + H2O
CN + O2 → NO + CO

Experiment visar på att promt NOX bildas i bränslerika områden i flamman, vid relativt låg temperatur och relativt korta uppehållstider.

Termisk NOX

Termisk NOX bildas genom att luftens syre och kväve reagerar med varandra. Reaktionen sker inte i större utsträckning vid temperaturer under 1200-1300 °C, men ökar däröver exponentiellt med temperaturen. För förbränning vid höga temperaturer som i stålindustrins värmningsugnar är det bildningen av termisk NOX som är den största källan till NOX-emissionerna. För att hålla nere NOX-utsläppen gäller det alltså att hålla en jämn temperaturprofil i ugnen. Detta är speciellt viktigt vid användning av regenerativ teknik och oxyfuelteknik vilka annars har mycket höga flamtemperaturmaxima. Utsläppen av NOX beräknas utifrån NOX-mätning.

NOX-mätning

Genom mätning kan en förbränningsanläggnings kväveoxidutsläpp kvantifieras och ställas mot till exempel de miljövillkor som myndigheter utfärdar.

I praktiken utförs mätning och beräkning av NOX-utsläppet vanligtvis på följande sätt:

  1. Halten NO och O2 (och CO2 i de fall oxyfuelbrännare används) i rökgasen mäts, intermittent eller kontinuerligt. Medelvärden beräknas.
     
  2. Till den uppmätta halten NO läggs ett schablon-påslag för NO2 (till exempel 2-5 % beroende på bränsleslag). Hur stor denna mängd är i det aktuella fallet bör kontrolleras med stickprovsmätningar av NO2. 
     
  3. Med "NOX" menas alltså i praktiken uppmätt NO + ett schablon-påslag för NO2. Mängden NOX (räknat som NO2) är alltså uppmätt NO i rökgasen omräknat till NO2 med ett påslag för mätt eller antagen mängd NO2. 
     
  4. Korrektion görs för hur utspädd rökgasen är.
     
  5. Den energi som används under mätperioden beräknas utgående från bränsleförbrukning och bränslets energiinnehåll eller utifrån rökgasanalysen.
     

Miljövillkor för utsläpp av NOX från värmnings- och värmebehandlingsugnar avser vanligtvis mängden NOX per energienhet uttryckt som mg NO2/MJ tillfört bränsle (NFS 2009:09). Ett problem med att uttrycka NOX-villkor som mg/MJ är att ny energieffektiviserande brännarteknik (oxyfuelteknik och regenerativa brännare) ger såväl energibesparingar och lägre utsläpp av kväveoxider i jämförelse med konventionell teknik. Om minskningen av utsläppen av kväveoxider är mindre än minskningen i energiförbrukning kommer dock utsläppet uttryckt som mg NO2/MJ tillfört bränsle öka trots att det totala utsläppet av NO2 och CO2 har minskat om nya brännare installeras.