Using Data Mining Techniques to Predict NOx Emissions Levels in Gas Fired Boilers

Natural gas industry becomes one of the largest sectors in the today’s world economy. With the growth of production, pollutants from gas processing plants continue to grow, forcing government and legislative authorities to compel stringent restrictions on the release of emissions. These restrictions become among top vital factors influencing plant operations nowadays in the state of Qatar. One of the most important tasks for gas processing plants is not only to ensure a continuous gas supply to customers, but also to monitor, control and address concerns about the environmental impact of the operations. The use of the gas fired steam boilers in the gas operations has led to a significant increase in the emissions of toxic substances such as NOx. Therefore, significant worries have been raised about the environmental effect on climate and air quality of noxious emissions associated with the steam generation process of the boilers. Data mining is a powerful tool that has been used for decades for advanced process analytics of large quantities of plant data in order to extract useful information and to reach a better understanding of the process. In this research, some of data mining techniques such as artificial neural networks and decision trees are applied on real plant data representing 27 industrial process parameters from a gas fired steam boiler of one gas processing plant at Ras-Laffan Industrial City in order to predict the most important factors impacting the NOx formation in the combustion process of the boiler. Closer attention to those factors can be given promptly in order to enhance the plant environmental performance. The results obtained by the artificial neural network and decision tree models showed that the NOx emissions are directly related to the air flow parameters such as O2 concentration, the excess air level in the boiler and the amount of the flue gas at the boiler outlet. It was also shown that the company is following a traditional technique of lowering the amount of oxygen in the boiler aiming to reduce the NOx emission levels. However, this technique was proven to be limited under certain threshold of boiler load due to other important factors such as the adiabatic flame temperature (AFT) which induces the formation of NOx emissions

A study of the water-energy nexus in power plants

Tesis por compendio de publicaciones[ES] La tesis se llevó a cabo a través de compendio de artículos científicos, de modo que se lleva a cabo un resumen de cada artículo, así como la información de cada uno. Artículo 1 Título: Optimal gas treatment and coal blending for reduced emissions in power plants: A case study in Northwest Spain. Autores: Lidia S Guerras y Mariano Martín. Revista: Energy DOI: 10.1016/j.energy.2018.12.089 Resumen: En este trabajo se ha desarrollado un marco de toma de decisiones para el diseño de la sección de tratamiento de gases de combustión de una central eléctrica, que incluye operaciones de remoción de partículas, NOx y SO2. Se ha aplicado a una central térmica de carbón en España para seleccionar las tecnologías óptimas y su secuencia. Se han desarrollado modelos sustitutos para los tratamientos. El problema corresponde a una programación no lineal entera mixta que incluye la eliminación de NOx catalítica y no catalítica, lo que permite varias asignaciones para la tecnología catalítica, precipitación electrostática y eliminación de SO2 húmedo o seco. Se reformula como un problema no lineal para evaluar las oportunidades de bypass. La optimización sugiere el uso de precipitación electrostática, seguida de la eliminación catalítica de NOx y la eliminación de SO2 seco. A continuación, también se ha resuelto un problema de mezcla de carbón para dos funciones objetivo. Cuando solo se consideran los costos de tratamiento, se recomienda el uso de carbón importado, pero un aumento del 4% en su precio puede cambiar la decisión por el uso de carbón nacional. Si la energía del carbón se agrega a la función objetivo, el carbón de alquitrán crudo se incluye en la mezcla y el carbón importado se usa para mantener las emisiones dentro de los límites. La oxidación forzada de piedra caliza es la tecnología seleccionada. Artículo 2 Título: Optimal Flue Gas Treatment for Oxy-Combustion-Based Pulverized Coal Power Plants Autores: Lidia S Guerras y Mariano Martín. Revista: Industrial & Engineering Chemistry Research DOI: 10.1021/acs.iecr.9b04453 Resumen: La oxicombustión es reconocida como la tecnología más limpia que utiliza carbón como fuente de energía. La limpieza de los gases de combustión es esencial para un funcionamiento sostenible. En este trabajo se determina la selección óptima de las tecnologías de tratamiento de gases de combustión en centrales de oxicombustión. Se utiliza un procedimiento de dos etapas que combina heurística y programación matemática para evaluar las tecnologías involucradas, incluida la caldera, la desnitrificación, la precipitación electrostática, la eliminación de dióxido de azufre y la captura de carbono. Para el funcionamiento de la planta, se debe seleccionar la alimentación de carbón. Se resuelve un problema de mezcla extendido para evaluar el tipo de carbón que se comprará en función de su costo y composición. El procesamiento óptimo de los gases de combustión consiste en la precipitación electrostática, seguida de la eliminación de SO2 seco y la purificación de CO2 con zeolitas. No se requiere ningún método de desnitrificación específico debido a los bajos niveles de concentración de NOx generados en la oxicombustión. Esta hoja de flujo se utiliza para seleccionar uno entre una mezcla de tres tipos diferentes de carbón: alquitrán de hulla nacional, importado y crudo. Sin embargo, no se recomienda ninguna mezcla ya que se seleccionó alquitrán de hulla crudo. Aunque los costos de procesamiento son más altos, se ve compensado por el menor coste de la materia prima. Artículo 3 Título: On the water footprint in power production: Sustainable design of wet cooling towersAutores: Lidia S Guerras y Mariano Martín. Revista: Applied Energy DOI: 10.1016/j.apenergy.2020.114620 Resumen: Las plantas de energía renovable deben instalarse donde esté disponible el recurso principal. El clima afecta el diseño y la huella hídrica de estas plantas. Se estudian dos tipos de ciclos de potencia, un ciclo Rankine regenerativo, representativo de biomasa y plantas termosolares, y el ciclo combinado, correspondiente a procesos basados en biogás o gasificación. Las instalaciones se modelan en detalle unidad por unidad para calcular el rendimiento del ciclo, el trabajo del condensador, el consumo de agua y la geometría de la torre de enfriamiento húmedo de tiro natural para su diseño sostenible. Las regiones cálidas, apropiadas para instalaciones solares, y las regiones húmedas requieren torres más grandes y caras. Las áreas con alta disponibilidad solar también muestran un mayor consumo de agua, lo que representa un intercambio para un futuro sistema de energía basado en energías renovables. Además, también se han desarrollado pautas de diseño y modelos sustitutos para estimar el consumo de agua, el tamaño de la torre de enfriamiento y su costo en función del clima. Los sustitutos son útiles para el análisis de la huella hídrica de un sistema de energía de base renovable que sustituye al de base fósil. Artículo 4 Título: Multilayer Approach for Product Portfolio Optimization: Waste to Added-Value Products Autores: Lidia S. Guerras, Debalina Sengupta, Mariano Martín, and Mahmoud M. El-Halwagi Revista: ACS Sustainable Chemistry & Engineering. DOI: 10.1021/acssuschemeng.1c01284 Resumen: Se ha desarrollado un procedimiento sistemático multicapa de varias etapas para la selección de la cartera de productos óptima a partir de biomasa residual como materia prima para sistemas que implican el nexo “wáter-energy-food”. Consiste en una metodología híbrida heurística, basada en métricas y optimización que evalúa el desempeño económico y ambiental de productos de valor agregado a partir de una materia prima en particular. La primera etapa preselecciona los productos prometedores. A continuación, se formula un problema de optimización de la superestructura para valorizar o transformar los residuos en el conjunto óptimo de productos. La metodología se ha aplicado dentro de la iniciativa “Waste to Power and Chemicals” para evaluar el mejor uso de los residuos de biomasa de la industria del aceite de oliva en alimentos, productos químicos y energía. La etapa heurística se basa en la revisión de la literatura para analizar los productos y técnicas factibles. A continuación, se han desarrollado y utilizado métricas simples para preseleccionar productos que son prometedores. Finalmente, se utiliza un enfoque de optimización de la superestructura para diseñar la instalación que procesa hojas, astillas de madera y aceitunas en productos finales. La mejor técnica para recuperar fenoles del “alperujo”, un residuo sólido húmedo/subproducto del proceso, consiste en el uso de membranas, mientras que la técnica de adsorción se utiliza para la recuperación de fenoles de hojas y ramas de olivo. La inversión necesaria para procesar los residuos asciende a 110,2 millones de euros por 100 kt/año para la instalación de producción de aceitunas, mientras que el beneficio depende del nivel de integración. Si la instalación está adscrita a la producción de aceite de oliva, el beneficio generado oscila entre los 14,5 MM €/año (cuando los residuos se compran a precios de 249 € por tonelada de alperujo y 6 € por tonelada de hojas y ramas de olivo) y 34,3 MM €/año cuando el material de desecho se obtiene de forma gratuita

Predictions of NOx emissions in pulverized coal combustion.

The purpose of this research work was to develop a transferable mathematically simple model which gives the possibility to make fast and easy predictions regarding the NOx emission behavior of a broad–spectrum of coals within a certain combustion environment. In this context, this thesis is a further step of a common ongoing investigation focused on predicting NOx emissions from self–sustaining, pulverized coal combustion in dry bottom firing systems. A comprehensive literature research focused on already published NOx prediction approaches from scientific publications based on fundamental quantitative relationships or empirical algorithms and statistical relationships was also carried out in this context. This research concentrated on three specific areas which were found to constitute a major gap in the knowledge of NOx formation in industrial full–scale applications: the fuel properties; the dependence of furnace geometry factors; and the specific operating conditions. The developed model shows a strong statistical significance with a coefficient of determination of 0.9876 and a standard error of 28 mg / m³ STPdry at 6 % O2 based on 142 observations coming from 28 utility boilers. Direct comparisons between model history and observations reported by other researchers have also shown very good conformities. For that background, this thesis form a good basis for identifying individual factors which contributes to system related NOx emissions in order to investigate how variations in the process parameters affect the emission level. Perhaps, as contribution to the understanding of NOx formation during coal combustion what is still an imperfectly understood phenomenon, or as basis for possible process optimization which might find application on pulverized coal–fired boilers to make the world a little bit more green

Simulation of Combustion and Thermal-flow Inside a Pyroscrubber

The main function of a pyroscrubber in petroleum coke calcining process is to oxidize the carbonaceous contents, including hydrocarbon volatiles, of the exhaust gas from the calcination kiln, so as to leave no more than small traces of unburned volatiles, solid carbon, ashes, or emissions (e.g. CO, NOx and SOx) in the flue gas finally discharged. To maximize the energy recovery and reduce pollutant emission from the pyroscrubber, 3-D computational models are developed using FLUENT to simulate the combustion and thermal-flow phenomena inside the pyroscrubber. The results show the 3-D behavior of the flow, the reaction inside the pyroscrubber, effect of different amounts of air injection with respect to combustion efficiency, energy output and NOx emission. A multistage burning strategy is introduced and studied and results show it successfully cuts emission without compromising energy output. A particle combustion model with the homogeneous gas combustion model is also developed and incorporated to investigate CO emission

Preliminary design study of a baseline MIUS

Results of a conceptual design study to establish a baseline design for a modular integrated utility system (MIUS) are presented. The system concept developed a basis for evaluating possible projects to demonstrate an MIUS. For the baseline study, climate conditions for the Washington, D.C., area were used. The baseline design is for a high density apartment complex of 496 dwelling units with a planned full occupancy of approximately 1200 residents. Environmental considerations and regulations for the MIUS installation are discussed. Detailed cost data for the baseline MIUS are given together with those for design and operating variations under climate conditions typified by Las Vegas, Nevada, Houston, Texas, and Minneapolis, Minnesota. In addition, results of an investigation of size variation effects, for 300 and 1000 unit apartment complexes, are presented. Only conceptual aspects of the design are discussed. Results regarding energy savings and costs are intended only as trend information and for use in relative comparisons. Alternate heating, ventilation, and air conditioning concepts are considered in the appendix