Kontroly Emisí Pomocí Různých Teplotách Spalovacího Vzduchu

Abstrakt

úsilí mnoha výrobců zdrojů tepla je pro dosažení maximální účinnosti přeměny energie chemicky vázané v palivu na teplo. Proto je nutné zefektivnit proces spalování a minimalizovat tvorbu emisí během spalování. Článek prezentuje analýzu teploty spalovacího vzduchu na tepelný výkon a emisní parametry spalování biomasy. V druhé části příspěvku je hodnocen vliv různých dendromasů na tvorbu emisí v malém zdroji tepla. Z naměřených výsledků vyplývá, že regulace teploty spalovacího vzduchu má vliv na koncentraci emisí ze spalování biomasy.

1. Úvod

hlavním záměrem Evropské unie je využít potenciál energetických úspor a obnovitelných zdrojů. Na Slovensku se zdá být nejslibnějším obnovitelným zdrojem energie biomasa. Jeho použití má rostoucí význam. Nejběžnější formou biomasy je dřevo, buď v kusech, nebo jako dřevní odpad. Během procesu spalování obnovitelných paliv jsou znečišťující látky generovány do atmosféry a mají negativní dopad na lidské zdraví. Nejvíce sledovanými znečišťujícími látkami jsou částice, oxid uhelnatý, oxidy dusíku a oxid siřičitý .

emise emitované během spalování jsou tvořeny převážně plynnými znečišťujícími látkami a znečišťujícími látkami. Cílem je snížit koncentraci těchto látek na přijatelnou úroveň, protože emise mají významný podíl na znečištění ovzduší .

pevné částice jsou unášeny proudem spalin ze spalovací komory kotle. Částice (PM) sestávají ze sazí,anorganické hmoty (popel) a organické hmoty (netěkavé hořlavé). Částice jsou dováženy do spalin popelem, netěkavými a hořlavými sazemi.

Částic, vznik při spalování paliva závisí na mnoha faktorech, včetně teploty plamene, složení a koncentrace spalovací reaktanty, a doba zdržení v reakční zóně . Ačkoli tvorba PM ze spalování není zcela pochopena, existuje podezření, že proces zahrnuje jak nukleační, tak kondenzační mechanismy .

velikost částic vzniklých během spalování závisí na době strávené ve formovacích a oxidačních zónách. Velikost výfukových částic biomasy může mít rozsah od méně než 0,01 µm do více než 100 µm. Většina spalovacího aerosolu biomasy je však obvykle menší než 1 µm v průměru .

Dnes je největší pozornost věnována velikost částic (aerodynamický průměr) menší než 10 µm (PM10), které mohou pronikat do dýchacího traktu. Částice této frakce jsou rozděleny do dvou skupin na základě různých velikostí, mechanismu, složení a chování atmosféry.

první skupinu tvoří částice o velikosti pod 2,5 µm (jemný respirabilní frakce—PM2,5), vyplývající z chemické reakce, nukleace, kondenzace plynných emisí na povrchu částice, nebo koagulace nejjemnější částice.

druhá skupina vytvořila částic v rozmezí velikosti od 2,5 do 10 µm (hrubá frakce—PM2,5-10).

nejjemnější částice o průměru pod 2,5 µm (PM2, 5) jsou považovány za největší škody na lidském zdraví. Ukládají se hluboko do plic a blokují reprodukci buněk .

Různé druhy dřeva mají různé složení a vlastnosti jako je výhřevnost a popela tání chování teploty, které výrazně ovlivňují produkci PM.

v této práci byla provedena experimentální měření zaměřená na tvorbu PM při spalování různých typů dendromasu v malém zdroji tepla. Vyhodnocuje se také vliv různých teplot primárního spalovacího vzduchu na emisní parametry.

2. Měření emisních parametrů

metody měření emisí znečišťujících látek lze v zásadě rozdělit na měření částic a plynných látek. Metody a principy měření jsou založeny na emisních vlastnostech kapalného média. Jedna z metod měření částic je uvedena níže.

Gravimetrická Metoda. Gravimetrická metoda je ruční jednoduchá metoda se vzorkováním průtokového plynu sondou. Je založen na stanovení mediánu koncentrací odběrem vzorků z více bodů průřezu měření a jejich následným gravimetrickým posouzením. Pevné nečistoty jsou obvykle odděleny externím filtrem.

reprezentativní odběr vzorků se provádí vzorkovací sondou vhodného tvaru a správné rychlosti za izokinetických podmínek .

Koncentrace částic ve spalinách se vztahuje na standardní podmínky, a může být stanovena pro mokré nebo suché spaliny. Měřený objem vzorku odebraného na plynoměru objemu by měl být převeden na standardní podmínky, tj. tlak 101325 Pa a teplota 273,15 K (0°C). Proto se teplota a tlak měřeného vzorku měří před plynoměrem.

kumulativní sběr může poskytnout v průřezu průměrnou koncentraci, ale ne koncentrační profil. Rychlost proudění nebo průtoku vzorku plynu je měřena zajištění izokinetické podmínky, například tím, clony trati a celkem odebraného množství plynu od plynoměru .

v gravimetrické metodě je odběr reprezentativních vzorků realizován sondou vhodného tvaru přímo z proudícího plynu .

pro splnění rostoucích požadavků na stanovení jemných částic byla v těchto experimentech použita vícestupňová impaktorová sonda. Nárazové těleso separační systém je určen k filtrátu a odlučování tuhých emisí v tři-fáze nárazové těleso. Konstrukce zařízení umožňuje paralelní oddělení pevných prvků PM 10 a PM 2,5 (Obrázek 1).

výhodou gravimetrické metody je její jednoduchost a relativně nízké sampler náklady.

3. Experimentální měření

jako zdroj tepla byl použit krb o výkonu 6 kW, který je určen pro spalování kusového dřeva. Spodní část spalovací komory je zakončena roštem a nádobou, kde popel padá. Přístup do spalovací komory je přes dveře, které jsou zaskleny vysoce tepelně odolným sklem.

3.1. Chlazení / ohřev spalovacího vzduchu

změna teploty přívodu spalovacího vzduchu byla provedena na primárním spalovacím vzduchu. Výměníky tepla jsou zapojeny do potrubí primárního přívodu vzduchu pro ohřev / chlazení spalovacího vzduchu. Tímto způsobem je teplota vstupujícího primárního spalovacího vzduchu ohřátá / ochlazená na požadovanou úroveň teploty. Minimální teplota přiváděného vzduchu byla -5°C a postupně zvýšena až na 40°C. zvýšení teploty mezi měřeními byla 5°C a byl regulován tepelný výměník, který je umístěn za ventilátorem v potrubí. Regulace teploty výměníku tepla byla zajištěna oběhovým termostatem Julabo F40.

schéma experimentálního stojanu pro přívod topného / chladicího vzduchu je znázorněno na obrázku 2.

za účelem vyhodnocení kvality spalovacího procesu bylo analyzátorem změřeno složení plynu.

3.2. Dendromass

během experimentu byly testovány také různé druhy dřeva. Každé měření trvalo 1 hodinu a bylo spáleno na asi 1,5 kg paliva. Pro experimentální měření byly použity následující druhy dřeva, které jsou uvedeny v tabulce 1.

3.3. Poloha sekundárního vzduchu

moderní úpravy umožňují zvýšení účinnosti vytápění a snížení koncentrace emisí. Množství emisí může být ovlivněno několika faktory. Jedním z důležitých faktorů je poloha sekundárního spalovacího vzduchu.

experimentální zdroj tepla má následující vstupy vzduchu:(i)primární (čelní)—proudění vzduchu přes rošt a popelník směrem paliva,(ii)sekundární (zpět)—proces využívající zbytkové hořlavé plyny, které by za normálních okolností uniknout do komína. Tam je zvýšení účinnosti a tím i nižší spotřebu paliva,(iii)terciární (top)—slouží k ofukování čelního skla, zabraňuje ucpání, také přispívá ke zlepšení spalovacího procesu a snížení emisí. Krb je určen pro spalování kusového dřeva (viz obrázek 3).

v tomto úkolu byly zkoumány různé polohy přívodu sekundárního vzduchu. Cílem bylo vyhodnotit, zda má umístění přívodu vzduchu vliv na tvorbu částic.

4. Výsledky a diskuse

během měření byly zaznamenány koncentrace následujících emisí: CO, CO2 a NO a částic ve spalinách.

4.1. Vliv Teploty Vzduchu na Tvorbu Emisí

teplota primární spalovací vzduch přiváděný do ohniště měnit změnou nastavení teploty na chlazené oběhové čerpadlo.

různé teploty primárního spalovacího vzduchu mají vliv na tvorbu plynných emisí a pevných částic.

Obrázek 4 ukazuje výsledky měření oxidu uhličitého podle nastavené teploty primárního spalovacího vzduchu.

nejvyšší průměrná CO2 byl zaznamenán na 35°C nasávaného vzduchu, zatímco při 15°C přiváděného vzduchu nejnižší průměrná hodnota 3.20% byla zaregistrována. Tvorba oxidu uhličitého má tendenci se zvyšovat se zvyšující se teplotou primárního spalovacího vzduchu.

obrázek 5 ukazuje výsledky měření oxidu uhelnatého.

nejvyšší průměrné hodnoty dosáhl 7193 mg·m−3 CO a byly zaznamenány při 10°C, vstupní vzduch, zatímco při 30°C přívod vzduchu dosáhla nejnižší průměrné hodnoty 5051 mg·m−3. Výsledky ukazují, že tvorba oxidu uhelnatého má tendenci klesat se zvyšující se teplotou primárního spalovacího vzduchu.

závislost tvorby na různých teplotách primárního spalovacího vzduchu k experimentálnímu zdroji tepla ukazuje obrázek 6.

nejvyšší průměrné hodnoty naměřených (111.65 mg·m−3) bylo dosaženo při 10°C, a nejnižší průměrné hodnoty byly naměřeny při teplotě 20°C s hodnotou 80.16 mg·m−3. produkce má tendenci klesat se zvyšující se teplotou primárního spalovacího vzduchu.

výsledky koncentrace PM v závislosti na teplotě primárního spalovacího vzduchu jsou znázorněny na obrázcích 7 a 8.

Měření částic se změnou teploty spalovacího vzduchu dosáhla maximální koncentrace 202 mg·m−3. Minimální koncentrace emisí PM byla generována při 35°C spalovacího vzduchu.

4.2. Jiný Typ Dendromasy

druhá část práce se zabývá vliv různých dendromasy k tvorbě pevných částic. Tvorba emisí je do značné míry ovlivněna typem paliva, které se spaluje ve zdroji tepla. Každé palivo má různé vlastnosti a chemické složení, což v konečném důsledku ovlivňuje proces spalování, množství skutečných emisí a obsah popela. Při experimentálním měření byly zajištěny stejné podmínky spalování, tj. rovnoměrný přívod primárního, sekundárního a terciárního vzduchu, stejný tlak v komíně (12 Pa) a maximální dávka 1,5 kg paliva.

měření částic bylo prováděno na všech druzích dřeva po dobu 30 minut. Během této doby byly zachyceny PM do filtrů z každého vzorku. Ty byly následně zbaveny vlhkosti a zváženy. Koncentrace částic byly stanoveny rozdílnou hmotností filtru před a po měření. Nejvyšší množství částic bylo pozorováno při měření bílé břízy s kůrou a bukem (obrázek 9).

4.3. Různé polohy sekundárního vzduchu

závěrečná část představuje nejefektivnější umístění přívodu sekundárního vzduchu ve vztahu k tvorbě částic. Byl analyzován vliv polohy tří vstupů vzduchu.

na obrázku 10 jsou uvedeny minimální a maximální hodnoty naměřených koncentrací částic (PM). Měření PM pro veškerý plně otevřený spalovací vzduch dosáhlo koncentrace 21 mg * m-3. Minimální koncentrace PM byla zaznamenána se zapojením sekundárního zásobování ve druhé řadě, kde bylo měřeno pouze 13,09 mg * m-3.

lze konstatovat, že z hlediska PM je výhodné přivádět spalovací vzduch druhou řadou.

5. Závěr

cílem této práce bylo demonstrovat vliv teploty primárního spalovacího vzduchu na emisní parametry.

předložené výsledky emisí V závislosti na teplotě primárního spalovacího vzduchu neukazují nejvhodnější nastavení teploty. Pro každý typ emisí bylo dosaženo nejnižší hodnoty při různých teplotách primárního spalovacího vzduchu.

Z experimentálního měření tuhých emisí je jasné, že z hlediska nejnižší hodnota PM je výhodné, aby dodávky primárního spalovacího vzduchu do spalovací proces při teplotě 35°C.

To může být argumentoval, že produkce oxidu uhelnatého (CO) klesá s rostoucí teplotou na úkor vyšší produkce oxidu uhličitého (CO2). Tvorba CO je ovlivněna několika faktory, a proto její rozdílná koncentrace během měření nemůže být přičítána měnícím se teplotám spalovacího vzduchu.

v této výzkumné práci byla provedena analýza vlivu různých typů dendromasy na tvorbu částic během spalovacího procesu. Výsledky měření ukazují, že typ paliva má značný vliv na proces spalování a tvorbu částic. Tento jev je do značné míry ovlivněn různými vlastnostmi a chemickým složením různých typů dendromasy.

V případě břízy bez kůra, nejnižší hodnoty ČÁSTIC byly měřeny, což naznačuje, že kůra dřevo má významný podíl na tvorbě pevných částic.

z naměřených výsledků vyplývá, že typ palivového dříví ovlivňuje emisní parametry zdroje tepla.

počítačové modelování je stále silnější a rozvinutější, a proto získává na popularitě. Objevuje se jako atraktivní nástroj, který pomáhá spalovacímu technikovi v oblastech, jako je návrh nového procesu, rozšíření zařízení, dovybavení a kontrola znečišťujících látek. Numerická simulace tvorby částic bude proto provedena v budoucím výzkumu.

střet zájmů

neexistuje žádný střet zájmů, pokud jde o zveřejnění tohoto příspěvku.

Poděkování

Tato práce byla podpořena VEGA no. 1/1353/12 a podporovaný v rámci programu OPV-Podpora kvality vzdelávania a rozvoj l’udských zdrojov v oblasti technického výskumu a vývoja v priestore modernej vedomostnej spoločnosti ITMS 26110230117.