Contrôles des émissions Utilisant Différentes températures de l’Air de combustion
- Résumé
- 1. Introduction
- 2. Mesure des paramètres d’émission
- 3. Mesure expérimentale
- 3.1. Refroidissement / Chauffage de l’Air de combustion
- 3.2. Dendromasse
- 3.3. Position de l’air secondaire
- 4. Résultats et discussion
- 4.1. Effet de la température de l’air sur la Formation d’émission
- 4.2. Différents types de Dendromasse
- 4.3. Différentes positions de l’air secondaire
- 5. Conclusion
- Conflit d’intérêts
- Remerciements
Résumé
L’effort de nombreux fabricants de sources de chaleur est d’atteindre l’efficacité maximale de la transformation de l’énergie liée chimiquement dans le combustible à la chaleur. Par conséquent, il est nécessaire de rationaliser le processus de combustion et de minimiser la formation d’émissions pendant la combustion. L’article présente une analyse de la température de l’air de combustion aux paramètres de performance thermique et d’émission de la biomasse brûlante. Dans la deuxième partie de l’article, l’impact de différentes dendromasses sur la formation d’émissions dans une petite source de chaleur est évalué. Les résultats mesurés montrent que la régulation de la température de l’air de combustion a un effet sur la concentration des émissions issues de la combustion de la biomasse.
1. Introduction
L’intention principale de l’Union européenne est d’exploiter le potentiel des économies d’énergie et des sources renouvelables. En Slovaquie, la source d’énergie renouvelable la plus prometteuse semble être la biomasse. Son utilisation a une importance croissante. La forme la plus courante de biomasse est le bois, en morceaux ou en déchets de bois. Au cours du processus de combustion des combustibles renouvelables, des polluants sont générés dans l’atmosphère et ont un impact négatif sur la santé humaine. Les polluants les plus surveillés sont les particules, le monoxyde de carbone, les oxydes d’azote et le dioxyde de soufre.
Les émissions émises lors de la combustion sont principalement constituées de polluants gazeux et particulaires. L’objectif est de réduire la concentration de ces substances à des niveaux acceptables, car les émissions représentent une part importante de la pollution atmosphérique.
Les particules solides sont entraînées par un flux de gaz de combustion provenant de la chambre de combustion de la chaudière. Les particules (PM) sont constituées de suie, de matières inorganiques (cendres) et de matières organiques (inflammables non volatiles). Les particules sont importées dans les gaz de combustion par des cendres, des suies non volatiles et combustibles.
La formation de particules pendant la combustion du combustible dépend de nombreux facteurs, notamment la température de la flamme, la composition et la concentration des réactifs de combustion et le temps de séjour dans la zone de réaction. Bien que la formation de particules résultant de la combustion ne soit pas entièrement comprise, on soupçonne que le processus implique à la fois des mécanismes de nucléation et de condensation.
La taille des particules formées lors de la combustion dépend du temps passé dans les zones de formation et d’oxydation. La taille d’une particule d’échappement de biomasse peut s’étendre sur une plage allant de moins de 0,01 µm à plus de 100 µm. Cependant, la majorité des aérosols de combustion de biomasse ont généralement un diamètre inférieur à 1 µm.
Aujourd’hui, la plus grande attention est accordée à la taille des particules (diamètre aérodynamique) inférieures à 10 µm (PM10), qui peuvent pénétrer dans les voies respiratoires. Les particules de cette fraction sont divisées en deux groupes en fonction de différentes tailles, du mécanisme, de la composition et du comportement de l’atmosphère.
Le premier groupe est constitué de particules de taille inférieure à 2,5 µm (fraction respirable fine — PM2,5), résultant de réactions chimiques de nucléation, de condensation des émissions gazeuses générées à la surface des particules, ou de coagulation des particules les plus fines.
Le deuxième groupe a créé des particules de taille comprise entre 2,5 et 10 µm (fraction grossière — PM2, 5 à 10).
Les particules les plus fines d’un diamètre inférieur à 2,5 µm (PM2,5) sont considérées comme les plus nocives pour la santé humaine. Ils se déposent profondément dans les poumons et bloquent la reproduction des cellules.
Différents types de bois ont une composition et des propriétés différentes telles que le pouvoir calorifique et le comportement de fusion des cendres en température, ce qui affecte grandement la production de particules.
Dans ce travail, des mesures expérimentales ont été effectuées et se sont concentrées sur la formation de particules lors de la combustion de différents types de dendromasse dans une petite source de chaleur. L’effet des différentes températures de l’air de combustion primaire sur les paramètres d’émission est également évalué.
2. Mesure des paramètres d’émission
Les méthodes de mesure des émissions de polluants peuvent être divisées en principe en mesure des particules et des substances gazeuses. Les méthodes et les principes de mesure sont basés sur les propriétés d’émission du milieu fluide. L’une des méthodes de mesure des particules est présentée ci-dessous.
Méthode gravimétrique. La méthode gravimétrique est la méthode manuelle unique avec échantillonnage du gaz d’écoulement par sonde. Il est basé sur la détermination des concentrations médianes par échantillonnage à partir de plusieurs points de mesure en coupe transversale et leur évaluation gravimétrique ultérieure. Les contaminants solides sont généralement séparés par un filtre externe.
L’échantillonnage représentatif est effectué par sonde d’échantillonnage de forme appropriée et à la vitesse correcte dans des conditions isocinétiques.
La concentration de particules dans les gaz de combustion est couverte dans des conditions standard et peut être déterminée pour les gaz de combustion humides ou secs. Le volume mesuré de l’échantillon prélevé sur le compteur de gaz volumétrique doit être converti en conditions standard, c’est-à-dire une pression de 101325 Pa et une température de 273,15 K (0 ° C). Par conséquent, la température et la pression de l’échantillon mesuré sont mesurées avant le compteur à gaz.
La collection cumulative peut fournir dans la section transversale la concentration moyenne mais pas le profil de concentration. La vitesse d’écoulement ou le débit du gaz prélevé est mesuré en assurant des conditions isocinétiques, par exemple par voie d’ouverture et une quantité totale de gaz collectée par compteur de gaz.
En méthode gravimétrique, le prélèvement d’échantillons représentatifs est réalisé par sonde de forme appropriée dès le gaz en écoulement.
Pour répondre aux exigences croissantes en matière de détermination des particules fines, la sonde à impacteur à plusieurs étages a été utilisée dans ces expériences. Le système de séparation de l’élément de frappe est destiné à filtrer et à séparer les émissions solides dans l’élément de frappe à trois étages. La construction du dispositif permet une séparation parallèle des éléments solides PM 10 et PM 2,5 (Figure 1).
(a)
(d)
(a)
(b)
Élément de frappe à séparation à plusieurs étages.
L’avantage de la méthode gravimétrique est sa simplicité et le coût relativement bas de l’échantillonneur.
3. Mesure expérimentale
Comme source de chaleur a été utilisé foyer évalué à 6 kW, qui est conçu pour la combustion de bois de pièce. Le fond de la chambre de combustion est surmonté d’une grille et du récipient où les cendres tombent. L’accès à la chambre de combustion se fait par les portes vitrées avec du verre résistant à la chaleur.
3.1. Refroidissement / Chauffage de l’Air de combustion
La modification de la température de l’entrée d’air de combustion a été effectuée sur l’air de combustion primaire. Les échangeurs de chaleur sont branchés sur le tuyau d’alimentation en air primaire pour le chauffage / refroidissement de l’air de combustion. De cette façon est la température de l’air de combustion primaire entrant chauffé / refroidi au niveau de température souhaité. La température minimale de l’air d’alimentation était de -5 ° C et augmentait progressivement jusqu’à 40 ° C. L’augmentation de la température entre les mesures était de 5 ° C et était régulée par l’échangeur de chaleur situé derrière le ventilateur dans un conduit. Le contrôle de la température de l’échangeur de chaleur a été assuré par le thermostat circulatoire Julabo F40.
Le schéma du support expérimental pour l’alimentation en air de chauffage / refroidissement est illustré à la figure 2.
Schéma de configuration expérimentale.
Afin d’évaluer la qualité du processus de combustion, la composition du gaz a été mesurée par analyseur.
3.2. Dendromasse
Au cours de l’expérience, les différents types de bois ont également été testés. Chaque mesure a duré 1 heure et a été brûlée à environ 1,5 kg de carburant. Pour les mesures expérimentales, les types de bois suivants énumérés dans le tableau 1 ont été utilisés.
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3.3. Position de l’air secondaire
Les modifications modernes permettent une augmentation de l’efficacité du chauffage et une réduction de la concentration des émissions. La quantité d’émissions peut être affectée par plusieurs facteurs. L’un des facteurs importants est la position de l’air de combustion secondaire.
La source de chaleur expérimentale a les entrées d’air suivantes: (i) primaire (frontale) — flux d’air à travers la grille et le cendrier vers le combustible, (ii) secondaire (arrière) — processus utilisant des gaz combustibles résiduels qui s’échapperaient normalement par la cheminée. Il y a une augmentation de l’efficacité et donc une consommation de carburant réduite, (iii) tertiaire (supérieur) — utilisé pour souffler le pare-brise, empêcher le colmatage, contribuer également à l’amélioration du processus de combustion et réduire les émissions. Le foyer est conçu pour la combustion de pièces de bois (voir Figure 3).
(a)
(d)
(a)
(b)
Position des entrées d’air de combustion.
Dans cette tâche, les différentes positions d’entrée d’air secondaire ont été étudiées. L’objectif était d’évaluer chaque fois que l’emplacement de l’entrée d’air a une influence sur la formation de particules.
4. Résultats et discussion
Au cours des mesures, les concentrations des émissions suivantes ont été enregistrées : CO, CO2, NO et matières particulaires dans les gaz de combustion.
4.1. Effet de la température de l’air sur la Formation d’émission
La température de l’air de combustion primaire fourni au foyer a varié en modifiant la température de réglage sur le circulateur réfrigéré.
Différentes températures de l’air de combustion primaire ont un impact sur la formation d’émissions gazeuses et de particules.
La figure 4 montre les résultats de la mesure du dioxyde de carbone en fonction de la température de consigne de l’air de combustion primaire.
Émissions moyennes de CO2 en fonction du changement de température de l’air de combustion primaire.
Le CO2 moyen le plus élevé a été enregistré à 35 ° C d’air d’entrée, tandis qu’à 15 ° C d’air fourni, la valeur moyenne la plus basse de 3,20% a été enregistrée. La formation de dioxyde de carbone a tendance à augmenter avec l’augmentation de la température de l’air de combustion primaire.
La figure 5 montre les résultats de la mesure du monoxyde de carbone.
Émissions moyennes de CO en fonction du changement de température de l’air de combustion primaire.
Les valeurs moyennes les plus élevées ont atteint 7193 mg · m−3 de CO et ont été enregistrées à 10 ° C d’air d’entrée, tandis qu’à 30 ° C d’air d’alimentation a atteint la valeur moyenne la plus basse de 5051 mg · m−3. Les résultats indiquent que la formation de monoxyde de carbone a tendance à diminuer avec l’augmentation de la température de l’air de combustion primaire.
La dépendance de la formation aux différentes températures de l’air de combustion primaire par rapport à la source de chaleur expérimentale montre la figure 6.
Émissions moyennes en fonction du changement de température de l’air de combustion primaire.
Les valeurs moyennes les plus élevées de la mesure (111,65 mg * m-3) ont été atteintes à 10 ° C et les valeurs moyennes les plus basses ont été mesurées à 20 ° C avec une valeur de 80,16 mg · m−3. la production tend à diminuer avec l’augmentation de la température de l’air de combustion primaire.
Les résultats de la concentration en particules en fonction de la température de l’air de combustion primaire sont représentés sur les figures 7 et 8.
Concentrations de particules pour différentes températures de l’air.
Dépendance de la matière particulaire totale à la température.
La mesure des particules avec un changement de température de l’air de combustion a atteint la concentration maximale de 202 mg · m−3. Une concentration minimale d’émissions de particules a été générée à 35 °C d’air de combustion.
4.2. Différents types de Dendromasse
La deuxième partie du travail traite de l’effet de différentes dendromasses sur la formation de particules solides. La production d’émissions est largement influencée par le type de combustible qui est brûlé dans la source de chaleur. Chaque combustible a des propriétés et une composition chimique différentes, ce qui affecte finalement le processus de combustion, la quantité d’émissions réelles et la teneur en cendres. Lors des mesures expérimentales, les mêmes conditions de combustion ont été garanties, c’est-à-dire un apport uniforme d’air primaire, secondaire et tertiaire, la même pression dans la cheminée (12 Pa) et une dose maximale de 1,5 kg de combustible.
Des mesures de particules ont été effectuées sur tous les types de bois pendant 30 minutes. Pendant ce temps, des particules ont été capturées dans les filtres de chaque échantillon. Ceux-ci ont ensuite été débarrassés de l’humidité et pesés. Les concentrations de particules ont été déterminées par la différence de poids du filtre avant et après la mesure. La plus grande quantité de particules a été observée dans les mesures de bouleau blanc avec écorce et hêtre (figure 9).
Concentrations de particules pour différents types de dendromasse.
4.3. Différentes positions de l’air secondaire
La partie finale présente l’emplacement le plus efficace de l’entrée d’air secondaire par rapport à la formation de matières particulaires. L’influence de la position de trois entrées d’air a été analysée.
Sur la figure 10, les valeurs minimales et maximales des concentrations mesurées de particules (PM) sont indiquées. La mesure des particules pour tout l’air de combustion entièrement ouvert a atteint une concentration de 21 mg · m−3. La concentration minimale de PARTICULES a été enregistrée avec l’implication de l’approvisionnement secondaire dans la deuxième rangée, où seulement 13,09 mg · m−3 a été mesuré.
Dépendance des particules à la position de l’entrée d’air.
On peut en conclure qu’en termes de particules, il est avantageux d’alimenter l’air de combustion par la deuxième rangée.
5. Conclusion
L’objectif de ces travaux était de démontrer l’impact de la température de l’air de combustion primaire sur les paramètres d’émissions.
Les résultats présentés des émissions en fonction de la température de l’air de combustion primaire n’indiquent pas le réglage de température le plus approprié. Pour chaque type d’émission, la valeur la plus basse à différentes températures de l’air de combustion primaire a été atteinte.
D’après les mesures expérimentales des émissions solides, il est clair qu’en termes de valeur la plus faible de PARTICULES, il est préférable d’alimenter l’air de combustion primaire dans le processus de combustion à une température de 35 ° C.
On peut affirmer que la production de monoxyde de carbone (CO) diminue avec l’augmentation de la température au détriment d’une production plus élevée de dioxyde de carbone (CO2). La formation de CO est influencée par plusieurs facteurs et sa concentration différente lors des mesures ne peut donc pas être attribuée à l’évolution des températures de l’air de combustion.
Dans ce travail de recherche, une analyse de l’impact de différents types de dendromasse sur la formation de matières particulaires au cours du processus de combustion a été réalisée. Les résultats des mesures indiquent que le type de carburant a une influence considérable sur le processus de combustion et la formation de particules. Ce phénomène est largement influencé par les différentes propriétés et la composition chimique des différents types de dendromasse.
Dans le cas du bouleau sans écorce, les valeurs les plus faibles de particules ont été mesurées, ce qui suggère que l’écorce du bois de chauffage a une proportion significative sur la formation de particules solides.
Les résultats mesurés montrent que le type de bois de chauffage affecte les paramètres d’émission de la source de chaleur.
La modélisation informatique devient de plus en plus puissante et développée, gagnant donc en popularité. Il devient un outil attrayant pour aider l’ingénieur en combustion dans des domaines tels que la conception de nouveaux procédés, la mise à l’échelle de l’usine, la modernisation et le contrôle des polluants. Par conséquent, la simulation numérique de la formation de particules sera effectuée dans les recherches futures.
Conflit d’intérêts
Il n’y a pas de conflit d’intérêts concernant la publication de ce document.
Remerciements
Ce travail a été soutenu par le VEGA no. 1/1353/12 et parrainé dans le cadre du programme OPV – Podpora kvality vzdelávania a rozvoj l’udských zdrojov v oblasti technického výskumu a vývoja v priestore modernej vedomostnej spoločnosti ITMS 26110230117.
