Controles de emisiones Utilizando diferentes Temperaturas de Aire de Combustión

Resumen

El esfuerzo de muchos fabricantes de fuentes de calor es lograr la máxima eficiencia de transformación de energía unida químicamente al combustible para calentar. Por lo tanto, es necesario agilizar el proceso de combustión y minimizar la formación de emisiones durante la combustión. El trabajo presenta un análisis de la temperatura del aire de combustión para el rendimiento térmico y los parámetros de emisión de la biomasa en combustión. En la segunda parte del trabajo se evalúa el impacto de diferentes dendromasas en la formación de emisiones en pequeñas fuentes de calor. Los resultados medidos muestran que la regulación de la temperatura del aire de combustión tiene un efecto en la concentración de emisiones de la combustión de biomasa.

1. Introducción

La intención principal de la Unión Europea es explotar el potencial de ahorro de energía y de fuentes renovables. En Eslovaquia, la fuente de energía renovable más prometedora parece ser la biomasa. Su uso tiene una importancia creciente. La forma más común de biomasa es la madera, ya sea en trozos o como residuos de madera. Durante el proceso de combustión de combustibles renovables se generan contaminantes en la atmósfera que tienen un impacto negativo en la salud humana. Los contaminantes más controlados son las partículas, el monóxido de carbono, los óxidos de nitrógeno y el dióxido de azufre .

Las emisiones emitidas durante la combustión están constituidas principalmente por gases y partículas contaminantes. El objetivo es reducir la concentración de estas sustancias a niveles aceptables, ya que las emisiones tienen una proporción significativa de contaminación atmosférica .

Las partículas sólidas se arrastran con la corriente de gases de combustión de la cámara de combustión de la caldera. La materia particulada (PM) consiste en hollín, materia inorgánica (ceniza) y materia orgánica (inflamable no volátil). Las partículas se importan al gas de combustión por cenizas, hollín no volátil y combustible.

La formación de partículas durante la combustión del combustible depende de muchos factores, incluida la temperatura de la llama, la composición y concentración de los reactivos de combustión y el tiempo de residencia dentro de la zona de reacción . Aunque la formación de partículas a partir de la combustión no se comprende completamente, se sospecha que el proceso involucra mecanismos de nucleación y condensación .

El tamaño de las partículas formadas durante la combustión depende del tiempo pasado en las zonas de formación y oxidación. El tamaño de una partícula de escape de biomasa puede abarcar un rango de menos de 0,01 µm a más de 100 µm. Sin embargo, la mayoría de los aerosoles de combustión de biomasa son típicamente de menos de 1 µm de diámetro .

Hoy en día se presta la mayor atención al tamaño de las partículas (diámetro aerodinámico) de menos de 10 µm (PM10), que pueden penetrar en el tracto respiratorio. Las partículas de esta fracción se dividen en dos grupos basados en diferentes tamaños, el mecanismo, la composición y el comportamiento de la atmósfera.

El primer grupo está formado por partículas de tamaño inferior a 2,5 µm (fracción respirable fina—PM2,5), que surgen de la nucleación de reacciones químicas, la condensación de las emisiones gaseosas generadas en la superficie de las partículas o la coagulación de las partículas más finas.

El segundo grupo creó partículas en el rango del tamaño de 2,5 a 10 µm (fracción gruesa: PM2,5 a 10).

Se considera que las partículas más finas con un diámetro inferior a 2,5 µm (PM2,5) causan el mayor daño a la salud humana. Se depositan profundamente en los pulmones y bloquean la reproducción de las células .

Varios tipos de madera tienen diferentes composiciones y propiedades, como el poder calorífico y el comportamiento de la temperatura de fusión de cenizas, que afectan en gran medida a la producción de partículas.

En este trabajo se realizaron mediciones experimentales centradas en la formación de partículas durante la combustión de diferentes tipos de dendromasa en una pequeña fuente de calor. También se evalúa el efecto de diversas temperaturas del aire de combustión primaria en los parámetros de emisión.

2. Medición de los parámetros de emisión

Los métodos para medir las emisiones de contaminantes pueden dividirse en principio en medición de partículas y sustancias gaseosas. Los métodos y principios de medición se basan en las propiedades de emisión del fluido. A continuación se presenta uno de los métodos para medir las partículas.

Método Gravimétrico. El método gravimétrico es el método único manual con muestreo del gas de flujo por sonda. Se basa en la determinación de las concentraciones medias mediante muestreo de múltiples puntos de medición de sección transversal y su posterior evaluación gravimétrica. Los contaminantes sólidos suelen estar separados por un filtro externo.

El muestreo representativo se realiza mediante la forma adecuada de la sonda de muestreo y la velocidad correcta en condiciones isocinéticas .

La concentración de partículas en los gases de combustión está cubierta en condiciones normales y puede determinarse para gases de combustión húmedos o secos. El volumen medido de la muestra tomada en el medidor de volumen de gas debe convertirse a condiciones estándar, es decir, 101325 Pa de presión y temperatura de 273,15 K (0°C). Por lo tanto, la temperatura y la presión de la muestra medida se miden antes del medidor de gas.

La recogida acumulativa puede proporcionar en la sección transversal la concentración media, pero no el perfil de concentración. La velocidad de flujo o el flujo del gas de muestra se mide garantizando condiciones isocinéticas, por ejemplo, por vía de apertura y una cantidad total de gas recogida por medidor de gas .

En el método gravimétrico, la toma de muestras representativas se realiza mediante una sonda con la forma adecuada directamente del gas que fluye .

Para cumplir con los crecientes requisitos para la determinación de partículas finas, en estos experimentos se utilizó la sonda impactadora de varias etapas. El sistema de separación del impactador está destinado a filtrar y separar las emisiones sólidas en el impactador de tres etapas. La construcción del dispositivo permite la separación paralela de elementos sólidos PM 10 y PM 2,5 (Figura 1).

La ventaja del método gravimétrico es su simplicidad y la relativamente baja sampler de costos.

3. Medición experimental

Ya que se utilizó la fuente de calor chimenea nominal de 6 kW, que está diseñada para quemar piezas de madera. El fondo de la cámara de combustión está cubierto con una rejilla y el recipiente donde cae la ceniza. El acceso a la cámara de combustión se realiza a través de las puertas acristaladas con vidrio de alta resistencia al calor.

3.1. Enfriamiento / Calentamiento del Aire de combustión

Se realizó un cambio de temperatura de la entrada de aire de combustión en el aire de combustión primario. Los intercambiadores de calor se conectan a la tubería de suministro de aire primario para calentar/enfriar el aire de combustión. De esta manera se obtiene la temperatura del aire de combustión primaria entrante calentado/enfriado al nivel de temperatura deseado. La temperatura mínima del aire de suministro fue de -5°C y aumentó gradualmente hasta 40°C. El aumento de temperatura entre las mediciones fue de 5°C y fue regulado por el intercambiador de calor, que se encuentra detrás del ventilador en un conducto. El termostato circulatorio Julabo F40 garantizaba el control de la temperatura del intercambiador de calor.

El esquema del soporte experimental para el suministro de aire de calefacción/refrigeración se muestra en la figura 2.

Para evaluar la calidad del proceso de combustión, se midió la composición del gas mediante un analizador.

3.2. Dendromass

Durante el experimento, también se probaron los diferentes tipos de madera. Cada medición duró 1 hora y se quemó hasta aproximadamente 1,5 kg de combustible. Para las mediciones experimentales se utilizaron los siguientes tipos de madera que se enumeran en la Tabla 1.

3.3. Posición del aire secundario

Las modificaciones modernas permiten un aumento de la eficiencia de calefacción y una reducción de la concentración de emisiones. La cantidad de emisiones puede verse afectada por varios factores. Uno de los factores importantes es la posición del aire de combustión secundaria.

La fuente de calor experimental tiene las siguientes entradas de aire: i) flujo de aire primario (frontal)a través de la rejilla y el cenicero hacia el combustible, ii) proceso secundario(posterior) que utiliza gases combustibles residuales que normalmente escaparían a través de la chimenea. Hay un aumento en la eficiencia y, por lo tanto, un menor consumo de combustible, (iii)terciario (superior): se utiliza para soplar el parabrisas, evitar obstrucciones, contribuir también a mejorar el proceso de combustión y reducir las emisiones. La chimenea está diseñada para quemar piezas de madera (ver Figura 3).

En esta tarea, se investigaron las diferentes posiciones de entrada de aire secundaria. El objetivo era evaluar siempre que la ubicación de la entrada de aire influyera en la formación de partículas.

4. Resultados y Discusión

Durante las mediciones se registraron concentraciones de las siguientes emisiones: CO, CO2 y NO y partículas en los gases de combustión.

4.1. Efecto de la Temperatura del aire sobre la Formación de emisiones

La temperatura del aire de combustión primario suministrado a la chimenea variaba cambiando la temperatura de ajuste en el circulador refrigerado.

Las diferentes temperaturas del aire de combustión primaria influyen en la formación de emisiones gaseosas y partículas.

La figura 4 muestra los resultados de la medición del dióxido de carbono de acuerdo con la temperatura establecida del aire de combustión primario.

El CO2 promedio más alto se registró a 35°C de aire de entrada, mientras que a 15°C de aire suministrado se registró el valor promedio más bajo de 3,20%. La formación de dióxido de carbono tiende a aumentar con el aumento de la temperatura del aire de combustión primario.

La figura 5 muestra los resultados de la medición del monóxido de carbono.

Los valores medios más altos alcanzaron 7193 mg * m-3 de CO y se registraron a 10°C de aire de entrada, mientras que a 30°C el aire de suministro alcanzó el valor medio más bajo de 5051 mg·m−3. Los resultados indican que la formación de monóxido de carbono tiende a disminuir con el aumento de la temperatura del aire de combustión primaria.

La dependencia de la formación de las diferentes temperaturas del aire de combustión primaria a la fuente de calor experimental muestra la Figura 6.

Los valores medios más altos de los medidos (111,65 mg·m−3) se alcanzaron a 10°C, y los valores medios más bajos se midieron a 20°C con un valor de 80,16 mg·m−3. la producción tiende a disminuir con el aumento de la temperatura del aire de combustión primario.

Los resultados de la concentración de PARTÍCULAS en función de la temperatura del aire de combustión primaria se muestran en las Figuras 7 y 8.

La medición de partículas con un cambio de temperatura del aire de combustión ha alcanzado la concentración máxima de 202 mg·m−3. La concentración mínima de emisión de PARTÍCULAS se generó a 35 ° C de aire de combustión.

4.2. Diferentes tipos de Dendromasa

La segunda parte del trabajo trata sobre el efecto de diferentes dendromasas en la formación de partículas sólidas. La generación de emisiones depende en gran medida del tipo de combustible que se quema en la fuente de calor. Cada combustible tiene diferentes propiedades y composición química, lo que en última instancia afecta el proceso de combustión, la cantidad de emisiones reales y el contenido de cenizas. Durante las mediciones experimentales se aseguraron las mismas condiciones de combustión, es decir, un suministro uniforme de aire primario, secundario y terciario, la misma presión en la chimenea (12 Pa) y una dosis máxima de 1,5 kg de combustible.

Se realizaron mediciones de partículas en todos los tipos de madera durante 30 minutos. Durante este tiempo se capturaron PM a los filtros de cada muestra. Estos fueron posteriormente despojados de humedad y pesados. Las concentraciones de partículas se determinaron por la diferencia de peso del filtro antes y después de la medición. La mayor cantidad de partículas se observó en mediciones de abedul blanco con corteza y haya (Figura 9).

4.3. Diferentes posiciones de Aire secundario

La parte final presenta la ubicación más efectiva de la entrada de aire secundario en relación con la formación de partículas. Se analizó la influencia de la posición de tres entradas de aire.

En la figura 10 se muestran los valores mínimo y máximo de las concentraciones medidas de partículas (PM). Medición de PM para todo el aire de combustión completamente abierto que alcanza una concentración de 21 mg * m-3. La concentración mínima de PM se registró con la participación del suministro secundario en la segunda fila, donde solo se midieron 13,09 mg·m-3.

Se puede concluir que, en términos de partículas, es ventajoso suministrar el aire de combustión a través de la segunda fila.

5. Conclusión

El objetivo de este trabajo fue demostrar el impacto de la temperatura del aire de combustión primaria en los parámetros de emisiones.

Los resultados presentados de las emisiones en función de la temperatura del aire de combustión primario no indican el ajuste de temperatura más adecuado. Para cada tipo de emisión se ha alcanzado el valor más bajo a diferentes temperaturas del aire de combustión primaria.

De las mediciones experimentales de emisiones sólidas se desprende claramente que, en términos del valor más bajo de PARTÍCULAS, se prefiere suministrar el aire de combustión primaria al proceso de combustión a una temperatura de 35°C.

Se puede argumentar que la producción de monóxido de carbono (CO) disminuye con el aumento de la temperatura a expensas de una mayor producción de dióxido de carbono (CO2). La formación de CO está influenciada por varios factores y, por lo tanto, su diferente concentración durante las mediciones no puede atribuirse a las temperaturas cambiantes del aire de combustión.

En este trabajo de investigación se realizó un análisis del impacto de diferentes tipos de dendromasa en la formación de partículas durante el proceso de combustión. Los resultados de las mediciones indican que el tipo de combustible tiene una influencia considerable en el proceso de combustión y en la formación de partículas. Este fenómeno está influenciado en gran medida por las diferentes propiedades y composición química de los diferentes tipos de dendromasa.

En el caso del abedul sin corteza, se midieron los valores más bajos de PM, lo que sugiere que la corteza de la leña tiene una proporción significativa en la formación de partículas sólidas.

Los resultados medidos muestran que el tipo de leña afecta a los parámetros de emisión de la fuente de calor.

El modelado por computadora se está volviendo más potente y desarrollado, por lo tanto, ganando popularidad. Se está convirtiendo en una herramienta atractiva para ayudar al ingeniero de combustión en áreas como el diseño de nuevos procesos, la ampliación de la planta, la adaptación y el control de contaminantes. Por lo tanto, la simulación numérica de la formación de partículas se realizará en la investigación futura.

Conflicto de intereses

No existe conflicto de intereses con respecto a la publicación de este artículo.

Agradecimientos

Este trabajo fue apoyado por el VEGA no. 1/1353/12 y patrocinado en el marco del programa OPV-Podpora kvality vzdelávania a rozvoj l’udských zdrojov v oblasti technického výskumu a vývoja v priestore modernej vedomostnej spoločnosti ITMS 26110230117.