päästöjen rajoittaminen polttoilman eri lämpötiloilla

Abstrakti

monien lämmönlähteiden valmistajien pyrkimyksenä on saavuttaa polttoaineessa kemiallisesti lämmöksi sidotun energian maksimaalinen muunnosteho. Siksi on tarpeen virtaviivaistaa palamisprosessia ja minimoida päästöjen muodostuminen palamisen aikana. Paperi esittää analyysin palamisilman lämpötilasta biomassan palamisen lämpötehoon ja päästöparametreihin. Paperin toisessa osassa arvioidaan eri dendromassien vaikutusta päästöjen muodostumiseen pienessä lämmönlähteessä. Mitatut tulokset osoittavat, että palamisilman lämpötilan säätelyllä on vaikutusta biomassan palamisesta syntyvien päästöjen pitoisuuksiin.

1. Johdanto

Euroopan unionin päätavoitteena on energiansäästöjen ja uusiutuvien energialähteiden mahdollisuuksien hyödyntäminen. Slovakiassa lupaavin uusiutuva energialähde näyttää olevan biomassa. Sen käyttö on yhä tärkeämpää. Yleisin biomassan muoto on puu, joko paloina tai puujätteenä. Uusiutuvien polttoaineiden polttoprosessin aikana ilmakehään syntyy saasteita, joilla on kielteinen vaikutus ihmisten terveyteen. Seuratuimpia saasteita ovat pienhiukkaset, hiilimonoksidi, typen oksidit ja rikkidioksidi .

palamisen aikana syntyvät päästöt muodostuvat pääasiassa kaasu-ja hiukkaspäästöistä. Tavoitteena on vähentää näiden aineiden pitoisuudet hyväksyttävälle tasolle, koska päästöt aiheuttavat merkittävän osan ilmansaasteista .

kiinteät hiukkaset kulkeutuvat kattilan palotilasta peräisin olevaan savukaasuvirtaan. Hiukkaset (PM) koostuvat noesta, epäorgaanisesta aineesta (tuhka) ja orgaanisesta aineesta (haihtumaton syttyvä). Savukaasuun kulkeutuu hiukkasia tuhkaa, haihtumatonta ja palavaa nokea.

hiukkasten muodostuminen polttoaineen palamisen aikana riippuu monista tekijöistä, kuten liekin lämpötilasta, palamisreaktanttien koostumuksesta ja pitoisuudesta sekä viipymisajasta reaktiovyöhykkeellä . Vaikka palamisesta syntyvää HIUKKASMUODOSTUSTA ei täysin ymmärretä, on epäilty, että prosessiin liittyy sekä nukleaatio-että kondensaatiomekanismeja .

palamisen aikana muodostuvien hiukkasten koko riippuu muodostumis-ja hapettumisvyöhykkeillä vietetystä ajasta. Biomassapakohiukkasen koko voi vaihdella alle 0,01 µm: sta yli 100 µm: iin. Suurin osa biomassan palavasta aerosolista on kuitenkin tyypillisesti halkaisijaltaan alle 1 µm .

nykyään kiinnitetään eniten huomiota alle 10 µm: n (PM10) hiukkasten kokoon (aerodynaaminen halkaisija), joka voi tunkeutua hengitysteihin. Tämän fraktion hiukkaset jaetaan kahteen ryhmään eri kokoluokkien, ilmakehän mekanismin, koostumuksen ja käyttäytymisen perusteella.

ensimmäinen ryhmä koostuu alle 2,5 µm: n kokoisista hiukkasista (hienojakoinen hengitettävä fraktio—PM2,5), jotka syntyvät kemiallisissa reaktioissa nukleaatiosta, hiukkasten pinnalle syntyvien kaasupäästöjen tiivistymisestä tai hienoimpien hiukkasten hyytymisestä.

toinen ryhmä loi hiukkasia,joiden koko oli 2,5—10 µm (karkea fraktio-PM2, 5-10).

hienoimpien hiukkasten,joiden läpimitta on alle 2,5 µm (PM2, 5), katsotaan aiheuttavan suurinta haittaa ihmisten terveydelle. Ne kerääntyvät syvälle keuhkoihin ja estävät solujen lisääntymisen .

eri puulajeilla on erilaisia koostumuksia ja ominaisuuksia, kuten lämpöarvo ja lämpötilan tuhkan sulamiskäyttäytyminen, jotka vaikuttavat suuresti hiukkasten tuotantoon.

tässä työssä tehtiin kokeellisia mittauksia, joissa keskityttiin hiukkasten muodostumiseen erilaisten dendromassien palamisen aikana pienessä lämmönlähteessä. Myös ensiöpolttoilman eri lämpötilojen vaikutusta päästöparametreihin arvioidaan.

2. Päästöparametrien

mittausmenetelmät epäpuhtauspäästöjen mittaamiseksi voidaan periaatteessa jakaa hiukkasten ja kaasumaisten aineiden mittaamiseen. Menetelmät ja mittausperiaatteet perustuvat nesteen väliaineen emissioominaisuuksiin. Seuraavassa esitetään yksi hiukkasmittausmenetelmä.

Gravimetrinen Menetelmä. Gravimetrinen menetelmä on manuaalinen yksittäinen menetelmä, jossa virtauskaasusta otetaan näytteenottimella näytteitä. Se perustuu mediaanipitoisuuksien määrittämiseen ottamalla näytteitä useista mittauspisteistä poikkileikkaukseltaan ja niiden myöhemmän gravimetrisen arvioinnin avulla. Kiinteät epäpuhtaudet erotetaan yleensä ulkoisella suodattimella.

edustava näytteenotto suoritetaan näytteenottimen sopivan muotoisella ja oikealla nopeudella isokineettisessä tilassa .

savukaasun hiukkaspitoisuudet katetaan vakio-olosuhteissa, ja ne voidaan määrittää märälle tai kuivalle savukaasulle. Tilavuuskaasumittarilla mitattu näytteen tilavuus on muunnettava vakio-olosuhteisiin, eli 101325 Pa: n paineeseen ja lämpötilaan 273,15 K (0°C). Siksi mitatun näytteen lämpötila ja paine mitataan ennen kaasumittaria.

kumulatiivinen keräys voi ilmoittaa poikkileikkauksen keskimääräisen pitoisuuden, mutta ei pitoisuusprofiilia. Näytekaasun virtausnopeus tai virtaus mitataan varmistamalla isokineettiset olosuhteet esimerkiksi aukon radalla ja kerätyn kaasun kokonaismäärän kaasumittarilla .

gravimetrisessä menetelmässä edustavien näytteiden ottaminen tapahtuu sopivan muotoisella luotaimella suoraan virtaavasta kaasusta.

pienhiukkasten määritystä koskevien kasvavien vaatimusten täyttämiseksi näissä kokeissa käytettiin monivaiheista iskulaitteen anturia. Iskulaitteen erotusjärjestelmä on tarkoitettu suodattamaan ja erottamaan kiinteät päästöt kolmivaiheisessa iskulaitteessa. Laitteen rakenne mahdollistaa kiinteiden elementtien PM 10 ja PM 2,5 rinnakkaisen erottamisen (Kuva 1).

gravimetrisen menetelmän etuna on sen yksinkertaisuus ja suhteellisen alhaiset näytteenottokustannukset.

3. Kokeellinen mittaus

, koska lämmönlähteenä käytettiin 6 kW: n tehoista tulisijaa, joka on suunniteltu palopuun polttoon. Palotilan pohja on päällystetty ritilällä ja astialla, johon tuhka putoaa. Pääsy palotilaan on ovista, jotka on lasitettu korkea lämmönkestävä lasi.

3.1. Paloilman jäähdytys/Lämmitys

polttoilman sisääntulon lämpötilan muuttaminen suoritettiin primäärisellä paloilmalla. Lämmönvaihtimet on kytketty putkeen ensiöilman tulon Lämmitys / Jäähdytys paloilman. Näin saadaan tulevan primaaripolttoilman lämpötila lämmitettyä / jäähdytettyä haluttuun lämpötilatasoon. Tuloilman minimilämpötila oli -5°C ja nousi vähitellen jopa 40°C. Lämpötilan nousu mittausten välillä oli 5°C ja sitä sääteli lämmönvaihdin, joka sijaitsee Tuulettimen takana kanavassa. Lämmönvaihtimen lämpötilansäätö varmistettiin kiertotermostaatilla Julabo F40.

lämmitys – /jäähdytysilmansyötön koepalstan kaava on esitetty kuvassa 2.

palamisprosessin laadun arvioimiseksi kaasun koostumus mitattiin analysaattorilla.

3.2. Dendromass

kokeen aikana testattiin myös eri puulajeja. Jokainen mittaus kesti tunnin ja siinä paloi noin 1,5 kg polttoainetta. Kokeellisissa mittauksissa käytettiin seuraavia taulukossa 1 lueteltuja puulajeja.

3.3. Toisioilman sijainti

nykyaikaiset muutokset mahdollistavat lämmitystehokkuuden lisäämisen ja päästöpitoisuuden vähentämisen. Päästöjen määrään voi vaikuttaa useampi tekijä. Yksi tärkeä tekijä on toissijaisen paloilman sijainti.

kokeellisessa lämmönlähteessä on seuraavat ilmanottoaukot: I)primäärinen(edestä)—ilmavirtaus arinan ja tuhkakupin läpi kohti polttoainetta, ii)sekundäärinen (takaisin)—prosessi, jossa käytetään palavia kaasuja, jotka tavallisesti poistuvat savupiipusta. Hyötysuhde kasvaa ja siten polttoaineenkulutus pienenee, (iii) tertiäärinen (top)—käytetään tuulilasin puhaltamiseen, tukkeutumisen estämiseen, mikä myös parantaa palamisprosessia ja vähentää päästöjä. Takka on suunniteltu palopuun polttoon (KS.kuva 3).

tässä tehtävässä selvitettiin sekundäärisen ilmanottoaukon eri asentoja. Tavoitteena oli arvioida, milloin ilmanottoaukon sijainti vaikuttaa hiukkasten muodostumiseen.

4. Tulokset ja keskustelu

mittausten aikana kirjattiin seuraavien päästöjen pitoisuudet: CO, CO2, NO ja hiukkaspäästöt savukaasussa.

4.1. Ilman lämpötilan vaikutus päästöjen muodostumiseen

tulisijaan syötetyn ensiöpolttoilman lämpötila vaihteli muuttamalla jäähdytetyn kiertovesipumpun säätölämpötilaa.

ensiöpolttoilman eri lämpötiloilla on vaikutusta kaasupäästöjen ja hiukkasten muodostumiseen.

Kuvassa 4 esitetään hiilidioksidin mittaustulokset primäärisen palamisilman asetetun lämpötilan mukaan.

korkein keskimääräinen CO2-arvo kirjattiin 35°C: n tuloilmassa, kun taas 15°C: n tuloilmassa alin Keskimääräinen arvo oli 3,20%. Hiilidioksidin muodostumisella on taipumus kasvaa primäärisen palamisilman lämpötilan noustessa.

Kuvassa 5 esitetään hiilimonoksidin mittaustulokset.

korkeimmat keskimääräiset arvot olivat 7193 mg·m−3 CO: ta, ja ne kirjattiin 10°C: n tuloilmassa, kun taas 30°C: n tuloilmassa alin keskiarvo oli 5051 mg·m−3. Tulokset osoittavat, että hiilimonoksidin muodostumisella on taipumus vähentyä ensiöpolttoilman lämpötilan noustessa.

muodostumisen riippuvuus primäärisen paloilman eri lämpötiloista koelämpölähteeseen osoittaa kuvan 6.

korkeimmat mitatut keskiarvot (111,65 mg * m−3) saavutettiin 10°C: n lämpötilassa ja alimmat keskiarvot mitattiin 20°C: n lämpötilassa arvolla 80,16 mg·m−3. tuotannon suuntaus on laskeva ensiöpolttoilman lämpötilan noustessa.

tulokset HIUKKASPITOISUUDESTA riippuen primäärisen palamisilman lämpötilasta on esitetty kuvissa 7 ja 8.

hiukkasten mittaaminen palamisilman lämpötilan muutoksella on saavuttanut enimmäispitoisuuden 202 mg * m−3. Hiukkaspäästöjen vähimmäispitoisuus syntyi 35°C: ssa palamisilmaa.

4.2. Erityyppinen Dendromass

teoksen toinen osa käsittelee eri dendromassien vaikutusta kiinteiden hiukkasten muodostumiseen. Päästöjen syntyyn vaikuttaa suuresti polttoainetyyppi, joka poltetaan lämmönlähteessä. Jokaisella polttoaineella on erilaiset ominaisuudet ja kemiallinen koostumus, mikä viime kädessä vaikuttaa palamisprosessiin, todellisten päästöjen määrään ja tuhkapitoisuuteen. Kokeellisissa mittauksissa varmistettiin samat palamisolosuhteet eli primääri -, sekundaari-ja tertiääriilman Tasainen saanti, sama paine savupiipussa (12 Pa) ja maksimiannos 1,5 kg polttoainetta.

Hiukkasmittauksia tehtiin kaikille puulajeille 30 minuutin ajan. Tänä aikana napattiin PM suodattimiin jokaisesta näytteestä. Näistä poistettiin myöhemmin kosteus ja ne punnittiin. Hiukkaspitoisuudet määritettiin suodattimen erotuspainon perusteella ennen mittausta ja sen jälkeen. Eniten pienhiukkasia havaittiin valkokoivun, jossa oli kuorta ja pyökkiä, mittauksissa (Kuva 9).

4.3. Toisioilman eri asennot

loppuosa esittää toisioilman tuloaukon tehokkaimman sijainnin suhteessa hiukkasten muodostumiseen. Kolmen ilmanottokohdan vaikutusta analysoitiin.

Kuvassa 10 esitetään mitattujen hiukkaspitoisuuksien vähimmäis-ja enimmäisarvot. Hiukkasmittaus kaikesta täysin avoimesta palamisilmasta saavutti pitoisuuden 21 mg * m-3. Hiukkaspäästöjen vähimmäispitoisuus rekisteröitiin toissijaisen tarjonnan mukana toisella rivillä, jossa mitattiin vain 13,09 mg * m-3.

voidaan päätellä, että hiukkasmäärän kannalta on edullista syöttää paloilmaa toisen rivin kautta.

5. Päätelmä

tämän työn tavoitteena oli osoittaa palamisilman primäärilämpötilan vaikutus päästöparametreihin.

esitetyt päästötulokset, jotka riippuvat primääripolttoilman lämpötilasta, eivät osoita sopivinta lämpötilan asetusta. Kunkin päästötyypin osalta on saavutettu primaarisen paloilman alin arvo eri lämpötiloissa.

kiinteiden päästöjen kokeellisten mittausten perusteella on selvää, että pienimmän HIUKKASARVON perusteella on suotavaa syöttää primääripolttoilma palamisprosessiin 35°C: n lämpötilassa.

voidaan väittää, että hiilimonoksidin (CO) tuotanto vähenee lämpötilan noustessa hiilidioksidin (CO2) tuotannon kustannuksella. CO: n muodostumiseen vaikuttavat useat tekijät, joten sen erilainen pitoisuus mittausten aikana ei voi johtua palamisilman lämpötilojen muuttumisesta.

tässä tutkimustyössä analysoitiin eri dendromassityyppien vaikutusta hiukkasten muodostumiseen palamisprosessin aikana. Mittaustulokset osoittavat, että polttoainetyypillä on huomattava vaikutus palamisprosessiin ja hiukkasten muodostumiseen. Ilmiöön vaikuttavat pitkälti eri dendromassityyppien erilaiset ominaisuudet ja kemiallinen koostumus.

kuorettoman koivun osalta mitattiin pienimmät HIUKKASARVOT, mikä viittaa siihen, että polttopuun kuorella on merkittävä osuus kiinteiden hiukkasten muodostumisessa.

mitatut tulokset osoittavat, että polttopuutyyppi vaikuttaa lämmönlähteen päästöparametreihin.

tietokonemallinnus on tehostumassa ja kehittymässä, minkä vuoksi sen suosio kasvaa. Se on kehittymässä houkuttelevaksi työvälineeksi, joka auttaa polttoinsinööriä esimerkiksi uusien prosessien suunnittelussa, laitosten skaalautumisessa, jälkiasennuksessa ja epäpuhtauksien hallinnassa. Siksi hiukkasmuodostuksen numeerinen simulointi tehdään tulevassa tutkimuksessa.

eturistiriidat

tämän paperin julkaisemiseen ei liity eturistiriitoja.

kiitokset

tätä työtä tuki VEGA no. 1/1353/12 ja sponsoroi ohjelman puitteissa OPV-Podpora kvality vzdelávania a rozvoj l ‘ udských zdrojov v oblasti technického výskumu a vývoja v priestore modernej vedomostnej spoločnosti ITMS 26110230117.