Emissionskontrollen mit unterschiedlichen Temperaturen der Verbrennungsluft

Abstract

Das Bestreben vieler Hersteller von Wärmequellen ist es, die maximale Effizienz der im Brennstoff chemisch gebundenen Energieumwandlung in Wärme zu erreichen. Daher ist es notwendig, den Verbrennungsprozess zu rationalisieren und die Emissionsbildung während der Verbrennung zu minimieren. Das Papier präsentiert eine Analyse der Verbrennungslufttemperatur auf die Wärmeleistung und Emissionsparameter der Verbrennung von Biomasse. Im zweiten Teil der Arbeit wird der Einfluss verschiedener Dendromassen auf die Emissionsbildung in kleinen Wärmequellen untersucht. Die Messergebnisse zeigen, dass sich die Regelung der Temperatur der Verbrennungsluft auf die Konzentration der Emissionen aus der Verbrennung von Biomasse auswirkt.

1. Einleitung

Die Hauptabsicht der Europäischen Union besteht darin, das Potenzial von Energieeinsparungen und erneuerbaren Quellen zu nutzen. In der Slowakei scheint Biomasse die vielversprechendste erneuerbare Energiequelle zu sein. Seine Verwendung hat wachsende Bedeutung. Die häufigste Form von Biomasse ist Holz, entweder in Stücken oder als Holzabfall. Während des Verbrennungsprozesses erneuerbarer Kraftstoffe werden Schadstoffe in die Atmosphäre freigesetzt, die sich negativ auf die menschliche Gesundheit auswirken. Die am meisten überwachten Schadstoffe sind Feinstaub, Kohlenmonoxid, Stickoxide und Schwefeldioxid .

Die bei der Verbrennung emittierten Emissionen bestehen hauptsächlich aus gasförmigen Schadstoffen und Partikeln. Ziel ist es, die Konzentration dieser Stoffe auf ein akzeptables Niveau zu reduzieren, da die Emissionen einen erheblichen Anteil an der Luftverschmutzung haben .

Die festen Partikel werden mit dem Rauchgasstrom aus der Brennkammer des Kessels mitgerissen. Feinstaub (PM) besteht aus Ruß, anorganischen Stoffen (Asche) und organischen Stoffen (nicht flüchtig brennbar). Partikel werden in das Rauchgas durch Asche, nichtflüchtigen und brennbaren Ruß importiert.

Die Bildung von Partikeln während der Verbrennung von Kraftstoff hängt von vielen Faktoren ab, einschließlich der Flammentemperatur, der Zusammensetzung und Konzentration der Verbrennungsreaktanten und der Verweilzeit innerhalb der Reaktionszone . Obwohl die PM-Bildung bei der Verbrennung nicht vollständig verstanden ist, wird vermutet, dass der Prozess sowohl Keimbildungs- als auch Kondensationsmechanismen beinhaltet .

Die Größe der bei der Verbrennung gebildeten Partikel hängt von der Zeit ab, die in den Bildungs- und Oxidationszonen verbracht wird. Die Größe eines Biomasse-Abgaspartikels kann einen Bereich von weniger als 0,01 µm bis größer als 100 µm umfassen. Der Großteil des Biomasseverbrennungsaerosols ist jedoch typischerweise kleiner als 1 µm im Durchmesser .

Heute ist die größte Aufmerksamkeit auf die Größe der Partikel (aerodynamischen Durchmesser) weniger als 10 µm (PM10), die in die Atemwege eindringen kann bezahlt. Partikel dieser Fraktion werden in zwei Gruppen eingeteilt, basierend auf verschiedenen Größen, dem Mechanismus, der Zusammensetzung und dem Verhalten der Atmosphäre.

Die erste Gruppe besteht aus Partikeln mit einer Größe unter 2,5 µm (feinatmungsfähige Fraktion-PM2,5), die durch chemische Reaktionen entstehen Keimbildung, Kondensation von gasförmigen Emissionen, die an der Oberfläche von Partikeln erzeugt werden, oder Koagulation der feinsten Partikel.

Die zweite Gruppe erzeugte Partikel im Bereich der Größe von 2,5 bis 10 µm (Grobfraktion—PM2,5 bis 10).

Feinste Partikel mit einem Durchmesser unter 2,5 µm (PM2,5) gelten als die größten Gesundheitsschäden. Sie lagern sich tief in der Lunge ab und blockieren die Vermehrung von Zellen .

Verschiedene Holzarten haben unterschiedliche Zusammensetzung und Eigenschaften wie Heizwert und Ascheschmelzverhalten der Temperatur, die die Produktion von PM stark beeinflussen.

In dieser Arbeit wurden experimentelle Messungen durchgeführt, die sich auf die Bildung von PM während der Verbrennung verschiedener Arten von Dendromasse in einer kleinen Wärmequelle konzentrierten. Der Einfluss verschiedener Temperaturen der Primärverbrennungsluft auf die Emissionsparameter wird ebenfalls bewertet.

2. Messung von Emissionsparametern

Verfahren zur Messung von Schadstoffemissionen lassen sich prinzipiell in die Messung von Feinstaub und gasförmigen Stoffen unterteilen. Methoden und Messprinzipien basieren auf den Emissionseigenschaften des fluiden Mediums. Eine der Methoden zur Messung von Partikeln ist nachstehend dargestellt.

Gravimetrische Methode. Gravimetrische Methode ist die manuelle Einzelmethode mit Probenahme des Strömungsgases durch Sonde. Es basiert auf der Bestimmung der Mediankonzentrationen durch Probenahme an mehreren Messquerschnittspunkten und deren anschließender gravimetrischer Bewertung. Feste Verunreinigungen werden normalerweise durch einen externen Filter abgetrennt.

Repräsentative probenahme ist durchgeführt durch probenahme sonde geeignet form und die richtige geschwindigkeit unter isokinetischen zustand.

Die Konzentration von Feinstaub im Rauchgas entspricht den Standardbedingungen und kann für nasses oder trockenes Rauchgas bestimmt werden. Das gemessene Volumen der auf dem Volumengaszähler entnommenen Probe sollte auf Standardbedingungen umgerechnet werden, dh 101325 Pa Druck und Temperatur von 273,15 K (0 ° C). Daher werden die Temperatur und der Druck der gemessenen Probe vor dem Gaszähler gemessen.

Die kumulative Sammlung kann im Querschnitt eine durchschnittliche Konzentration, aber kein Konzentrationsprofil liefern. Die Strömungsgeschwindigkeit oder Strömung des Probengases wird unter Berücksichtigung isokinetischer Bedingungen gemessen, beispielsweise durch Aperturspur und eine insgesamt gesammelte Gasmenge durch Gaszähler.

Bei der gravimetrischen Methode wird die Entnahme repräsentativer Proben durch eine Sonde mit geeigneter Form direkt aus dem strömenden Gas realisiert.

Um den steigenden Anforderungen an die Feinstaubbestimmung gerecht zu werden, wurde in diesen Experimenten die mehrstufige Impaktorsonde eingesetzt. Das Impaktortrennsystem soll feste Emissionen in einem dreistufigen Impaktor filtrieren und abscheiden. Die Konstruktion der Vorrichtung ermöglicht die parallele Trennung der festen Elemente PM 10 und PM 2,5 (Abbildung 1).

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Abbildung 1

Mehrstufige Trennung Impaktor.

Der Vorteil des gravimetrischen Verfahrens liegt in seiner Einfachheit und den relativ geringen Probenahmekosten.

3. Experimentelle Messung

Als Wärmequelle wurde ein Kamin mit einer Nennleistung von 6 kW verwendet, der für die Verbrennung von Stückholz ausgelegt ist. Boden der Brennkammer ist mit Rost und dem Behälter, wo die Asche fällt gekrönt. Der Zugang zur Brennkammer erfolgt durch die Türen, die mit hochhitzebeständigem Glas verglast sind.

3.1. Kühlung/Erwärmung der Verbrennungsluft

An der Primärverbrennungsluft wurde die Temperatur des Verbrennungslufteinlasses geändert. Die Wärmetauscher werden an Rohr der Primärluftzufuhr für Heizung/Abkühlung der Verbrennungsluft verstopft. Auf diese Weise wird die Temperatur der einströmenden Primärverbrennungsluft auf das gewünschte Temperaturniveau erwärmt/gekühlt. Die minimale Zulufttemperatur betrug -5 ° C und stieg allmählich auf 40 ° C an. Der Temperaturanstieg zwischen den Messungen betrug 5 ° C und wurde durch den Wärmetauscher geregelt, der sich hinter dem Ventilator in einem Kanal befindet. Die Temperaturregelung für den Wärmetauscher wurde durch den Umwälzthermostat Julabo F40 sichergestellt.

Das Schema des Versuchsständers für die Heiz-/Kühlluftzufuhr ist in Abbildung 2 dargestellt.

Abbildung 2

Schema des Versuchsaufbaus.

Um die Qualität des Verbrennungsprozesses zu bewerten, wurde die Gaszusammensetzung durch Analysator gemessen.

3.2. Dendromass

Während des Experiments wurden auch die verschiedenen Holzarten getestet. Jede Messung dauerte 1 Stunde und wurde zu etwa 1,5 kg Kraftstoff verbrannt. Für die experimentellen Messungen wurden folgende Holzarten verwendet, die in Tabelle 1 aufgeführt sind.

3.3. Position der Sekundärluft

Moderne Modifikationen ermöglichen eine Erhöhung der Heizleistung und Verringerung der Emissionskonzentration. Die Menge der Emissionen kann durch mehrere Faktoren beeinflusst werden. Einer der wichtigen Faktoren ist die Position der Sekundärverbrennungsluft.

Die Versuchswärmequelle hat die folgenden Lufteinlässe: (i) Primär (frontal) — Luftstrom durch den Rost und Aschenbecher in Richtung Kraftstoff, (ii)sekundär (hinten) — Prozess mit brennbaren Restgasen, die normalerweise durch den Schornstein entweichen würden. Es gibt eine Effizienzsteigerung und damit einen geringeren Kraftstoffverbrauch,(iii)Tertiär (oben) — zum Abblasen der Windschutzscheibe, zur Verhinderung von Verstopfungen, zur Verbesserung des Verbrennungsprozesses und zur Verringerung der Emissionen. Kamin ist für die Verbrennung von Stück Holz (siehe Abbildung 3).

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Abbildung 3

Position der Verbrennungslufteinlässe.

In dieser Aufgabe wurden die verschiedenen Positionen des Sekundärlufteinlasses untersucht. Ziel war es zu bewerten, wann die Lage des Lufteinlasses Einfluss auf die Bildung von Partikeln hat.

4. Ergebnisse und Diskussion

Bei den Messungen wurden Konzentrationen folgender Emissionen erfasst: CO, CO2 und NO sowie Feinstaub im Rauchgas.

4.1. Einfluss der Lufttemperatur auf die Emissionsbildung

Die Temperatur der Primärverbrennungsluft, die dem Kamin zugeführt wird, wird durch Ändern der Einstelltemperatur am Kühlzirkulator variiert.

Unterschiedliche Temperaturen der Primärverbrennungsluft haben Einfluss auf die Bildung von gasförmigen Emissionen und Feinstaub.

Abbildung 4 zeigt die Ergebnisse der Messung von Kohlendioxid entsprechend der eingestellten Temperatur der Primärverbrennungsluft.

Abbildung 4

Durchschnittliche CO2-Emissionen in Abhängigkeit von der Temperaturänderung der Primärverbrennungsluft.

Der höchste durchschnittliche CO2-Wert wurde bei 35 ° C Zuluft registriert, während bei 15 ° C Zuluft der niedrigste Durchschnittswert von 3,20% registriert wurde. Die Kohlendioxidbildung nimmt tendenziell mit steigender Temperatur der Primärverbrennungsluft zu.

Abbildung 5 zeigt die Ergebnisse der Messung von Kohlenmonoxid.

Abbildung 5

Durchschnittliche CO-Emissionen in Abhängigkeit von der Temperaturänderung der Primärverbrennungsluft.

Die höchsten Durchschnittswerte erreichten 7193 mg*m-3 CO und wurden bei 10 ° C Zuluft aufgezeichnet, während bei 30 ° C Zuluft der niedrigste Durchschnittswert von 5051 mg · m−3 erreicht wurde. Die Ergebnisse zeigen, dass die Bildung von Kohlenmonoxid mit steigender Temperatur der primären Verbrennungsluft tendenziell abnimmt.

Abhängigkeit der Bildung von den unterschiedlichen Temperaturen der primären Verbrennungsluft zur experimentellen Wärmequelle zeigt Abbildung 6.

Abbildung 6

Durchschnittliche Emissionen in Abhängigkeit von der Temperaturänderung der primären Verbrennungsluft.

Die höchsten Mittelwerte der gemessenen (111,65 mg·m−3) wurden bei 10 °C erreicht, und die niedrigsten Mittelwerte wurden bei 20°C mit einem Wert von 80,16 mg·m-3 gemessen. die Produktion nimmt tendenziell mit steigender Temperatur der Primärverbrennungsluft ab.

Die Ergebnisse der PM-Konzentration in Abhängigkeit von der Temperatur der Primärverbrennungsluft sind in den Abbildungen 7 und 8 dargestellt.

Abbildung 7

Feinstaubkonzentrationen für unterschiedliche Lufttemperaturen.

Abbildung 8

Abhängigkeit des gesamten Feinstaubs von der Temperatur.

Die Messung von Partikeln mit einer Änderung der Temperatur der Verbrennungsluft hat die maximale Konzentration von 202 mg·m−3 erreicht. Die minimale Konzentration der PM-Emission wurde bei 35 ° C Verbrennungsluft erzeugt.

4.2. Different Type of Dendromass

Der zweite Teil der Arbeit befasst sich mit der Wirkung verschiedener Dendromassen auf die Bildung von Feststoffpartikeln. Die Emissionserzeugung wird weitgehend von der Art des Brennstoffs beeinflusst, der in der Wärmequelle verbrannt wird. Jeder Kraftstoff hat unterschiedliche Eigenschaften und chemische Zusammensetzung, was sich letztendlich auf den Verbrennungsprozess, die Menge der tatsächlichen Emissionen und den Aschegehalt auswirkt. Während der experimentellen Messungen wurden die gleichen Verbrennungsbedingungen sichergestellt, d. H. Eine gleichmäßige Zufuhr von Primär-, Sekundär- und Tertiärluft, der gleiche Druck im Kamin (12 Pa) und eine maximale Dosis von 1,5 kg Kraftstoff.

An allen Holzarten wurden 30 Minuten lang Partikelmessungen durchgeführt. Während dieser Zeit wurden PM zu den Filtern von jeder Probe erfasst. Diese wurden anschließend von Feuchtigkeit befreit und gewogen. Die Feinstaubkonzentrationen wurden durch Differenzgewicht des Filters vor und nach der Messung bestimmt. Die höchste Menge an Feinstaub wurde bei Messungen von Weißbirke mit Rinde und Buche beobachtet (Abbildung 9).

Abbildung 9

Konzentrationen von PM für verschiedene Arten von Dendromasse.

4.3. Verschiedene Positionen der Sekundärluft

Der letzte Teil zeigt die effektivste Position des Sekundärlufteinlasses in Bezug auf die Bildung von Partikeln. Der Einfluss von drei Lufteinlässen Position wurde analysiert.

In Abbildung 10 sind die Minimal- und Maximalwerte der gemessenen Feinstaubkonzentrationen (PM) dargestellt. Messung von PM für alle vollständig offenen Verbrennungsluft erreicht Konzentration 21 mg·m-3. Die Mindestkonzentration von PM wurde unter Beteiligung der Sekundärversorgung in der zweiten Reihe registriert, wo nur 13,09 mg·m−3 gemessen wurde.

Abbildung 10

Abhängigkeit der PM von der Position des Lufteinlasses.

Daraus kann geschlossen werden, dass es in Bezug auf PM vorteilhaft ist, die Verbrennungsluft durch die zweite Reihe zuzuführen.

5. Schlussfolgerung

Ziel dieser Arbeit war es, den Einfluss der primären Verbrennungslufttemperatur auf die Emissionsparameter zu demonstrieren.

Die dargestellten Emissionsergebnisse in Abhängigkeit von der Temperatur der Primärverbrennungsluft geben nicht die am besten geeignete Temperatureinstellung an. Für jede Emissionsart wurde der niedrigste Wert bei unterschiedlichen Temperaturen der Primärverbrennungsluft erreicht.

Aus den experimentellen Messungen der Feststoffemissionen wird deutlich, dass es in Bezug auf den niedrigsten PM-Wert bevorzugt ist, die primäre Verbrennungsluft bei einer Temperatur von 35 ° C in den Verbrennungsprozess einzuspeisen.

Es kann argumentiert werden, dass die Produktion von Kohlenmonoxid (CO) mit zunehmender Temperatur auf Kosten einer höheren Produktion von Kohlendioxid (CO2) abnimmt. Die Bildung von CO wird von mehreren Faktoren beeinflusst und daher kann seine unterschiedliche Konzentration während der Messungen nicht auf sich ändernde Temperaturen der Verbrennungsluft zurückgeführt werden.

In dieser Forschungsarbeit wurde eine Analyse des Einflusses verschiedener Arten von Dendromassen auf die Bildung von Partikeln während des Verbrennungsprozesses durchgeführt. Die Messergebnisse zeigen, dass die Kraftstoffart einen erheblichen Einfluss auf den Verbrennungsprozess und die Partikelbildung hat. Dieses Phänomen wird weitgehend durch die unterschiedlichen Eigenschaften und die chemische Zusammensetzung verschiedener Arten von Dendromassen beeinflusst.

Bei Birken ohne Rinde wurden die niedrigsten PM-Werte gemessen, was darauf hindeutet, dass die Rinde von Brennholz einen signifikanten Anteil an der Bildung fester Partikel hat.

Die Messergebnisse zeigen, dass die Art des Brennholzes die Emissionsparameter der Wärmequelle beeinflusst.

Die Computermodellierung wird immer leistungsfähiger und entwickelter und gewinnt daher an Popularität. Es entwickelt sich zu einem attraktiven Werkzeug, um den Verbrennungsingenieur in Bereichen wie dem neuen Prozessdesign, dem Scale-up von Anlagen, der Nachrüstung und der Schadstoffkontrolle zu unterstützen. Daher wird die numerische Simulation der Partikelbildung in der zukünftigen Forschung durchgeführt.

Interessenkonflikt

Es besteht kein Interessenkonflikt in Bezug auf die Veröffentlichung dieses Papiers.

Danksagung

Diese Arbeit wurde von der VEGA Nr. 1/1353/12 unterstützt und im Rahmen des Programms OPV-Podpora kvality vzdelávania a rozvoj l’udských zdrojov v oblasti technického výskumu a vývoja v priestore modernej vedomostnej spoločnosti ITMS gesponsert 26110230117.