Controlli delle emissioni che utilizzano diverse temperature dell’aria di combustione

Abstract

Lo sforzo di molti produttori di fonti di calore è quello di ottenere la massima efficienza di trasformazione dell’energia chimicamente legata nel combustibile al calore. Pertanto, è necessario semplificare il processo di combustione e ridurre al minimo la formazione di emissioni durante la combustione. Il documento presenta un’analisi della temperatura dell’aria di combustione alle prestazioni termiche e ai parametri di emissione della biomassa in fiamme. Nella seconda parte del documento viene valutato l’impatto di diverse dendromasse sulla formazione di emissioni in piccole fonti di calore. I risultati misurati mostrano che la regolazione della temperatura dell’aria di combustione ha un effetto sulla concentrazione delle emissioni derivanti dalla combustione della biomassa.

1. Introduzione

L’intento principale dell’Unione Europea è quello di sfruttare il potenziale del risparmio energetico e delle fonti rinnovabili. In Slovacchia la fonte di energia rinnovabile più promettente sembra essere la biomassa. Il suo uso ha un’importanza crescente. La forma più comune di biomassa è il legno, in pezzi o come rifiuti di legno. Durante il processo di combustione di combustibili rinnovabili gli inquinanti vengono generati nell’atmosfera e hanno un impatto negativo sulla salute umana. Gli inquinanti più monitorati sono il particolato, il monossido di carbonio, gli ossidi di azoto e l’anidride solforosa .

Le emissioni emesse durante la combustione sono costituite principalmente da inquinanti gassosi e particolato. L’obiettivo è quello di ridurre la concentrazione di queste sostanze a livelli accettabili, poiché le emissioni hanno una percentuale significativa di inquinamento atmosferico .

Le particelle solide sono trascinate con flusso di gas di combustione dalla camera di combustione della caldaia. Il particolato (PM) è costituito da fuliggine, materia inorganica (cenere) e materia organica (infiammabile non volatile). Le particelle vengono importate nel gas di combustione da cenere, non volatile e fuliggine combustibile.

La formazione di particolato durante la combustione del carburante dipende da molti fattori, tra cui la temperatura della fiamma, la composizione e la concentrazione dei reagenti di combustione e il tempo di permanenza all’interno della zona di reazione . Sebbene la formazione di PM dalla combustione non sia completamente compresa, si sospetta che il processo implichi sia meccanismi di nucleazione che di condensazione .

La dimensione delle particelle formate durante la combustione dipende dal tempo trascorso nelle zone di formazione e ossidazione. Le dimensioni di una particella di scarico della biomassa possono variare da meno di 0,01 µm a più di 100 µm. Tuttavia, la maggior parte degli aerosol di combustione della biomassa è tipicamente inferiore a 1 µm di diametro .

Oggi è la massima attenzione alla dimensione delle particelle (diametro aerodinamico) inferiore a 10 µm (PM10), che possono penetrare nel tratto respiratorio. Le particelle di questa frazione sono divise in due gruppi in base alle diverse dimensioni, al meccanismo, alla composizione e al comportamento dell’atmosfera.

Il primo gruppo è costituito da particelle di dimensioni inferiori a 2,5 µm (frazione fine respirabile—PM2,5), derivanti da reazioni chimiche di nucleazione, condensazione di emissioni gassose generate sulla superficie delle particelle o coagulazione delle particelle più fini.

Il secondo gruppo ha creato particelle nell’intervallo delle dimensioni da 2,5 a 10 µm (frazione grossolana—PM2,5 a 10).

Le particelle più fini con un diametro inferiore a 2,5 µm (PM2,5) sono considerate la causa del maggior danno alla salute umana. Si depositano in profondità nei polmoni e bloccano la riproduzione delle cellule .

Vari tipi di legno hanno composizione e proprietà diverse come il potere calorifico e il comportamento di fusione delle ceneri della temperatura, che influenzano notevolmente la produzione di PM.

In questo lavoro, sono state effettuate misurazioni sperimentali e focalizzate sulla formazione di PM durante la combustione di diversi tipi di dendromassa in una piccola fonte di calore. Viene anche valutato l’effetto delle varie temperature dell’aria di combustione primaria sui parametri di emissione.

2. Misurazione dei parametri di emissione

I metodi per misurare le emissioni di inquinanti possono essere suddivisi in linea di principio nella misurazione del particolato e delle sostanze gassose. I metodi e i principi di misurazione si basano sulle proprietà di emissione del mezzo fluido. Uno dei metodi per misurare le particelle è presentato di seguito.

Metodo gravimetrico. Il metodo gravimetrico è il metodo manuale singolo con campionamento del gas di flusso mediante sonda. Si basa sulla determinazione delle concentrazioni mediane mediante campionamento da più punti di sezione trasversale di misure e la loro successiva valutazione gravimetrica. I contaminanti solidi sono solitamente separati da un filtro esterno.

Il campionamento rappresentativo viene eseguito mediante sonda di campionamento di forma adeguata e la velocità corretta in condizioni isocinetiche .

La concentrazione di particolato nel gas di combustione è coperta alle condizioni standard e può essere determinata per il gas di combustione umido o secco. Il volume misurato del campione prelevato sul contatore del gas volumetrico deve essere convertito in condizioni standard, ovvero 101325 Pa di pressione e temperatura di 273,15 K (0°C). Pertanto, la temperatura e la pressione del campione misurato vengono misurate prima del contatore del gas.

La raccolta cumulativa può fornire nella sezione trasversale concentrazione media ma non profilo di concentrazione. La velocità di flusso o il flusso del gas campione è misurata assicurando delle condizioni isocinetiche, per esempio, dalla pista dell’apertura e da una quantità totale raccolta di gas dal contatore del gas .

Nel metodo gravimetrico, il prelievo di campioni rappresentativi è realizzato mediante sonda con forma appropriata direttamente dal gas che scorre .

Per soddisfare i crescenti requisiti per la determinazione del particolato fine, in questi esperimenti è stata utilizzata la sonda multistadio. Il sistema di separazione del dispositivo di simulazione è destinato a filtrare e separare le emissioni solide nel dispositivo di simulazione a tre stadi. La costruzione del dispositivo consente la separazione parallela di elementi solidi PM 10 e PM 2,5 (Figura 1).

(a)

(b)

(a)
(b)

Figura 1

a più stadi di separazione urto.

Il vantaggio del metodo gravimetrico è la sua semplicità e i costi relativamente bassi del campionatore.

3. Misura sperimentale

Come la fonte di calore è stato utilizzato camino nominale a 6 kW, che è stato progettato per la combustione di legno pezzo. Fondo della camera di combustione è sormontato da griglia e il contenitore dove cade la cenere. L’accesso alla camera di combustione avviene attraverso le porte vetrate con vetro ad alta resistenza al calore.

3.1. Raffreddamento / riscaldamento dell’aria di combustione

La modifica della temperatura dell’ingresso dell’aria di combustione è stata eseguita sull’aria di combustione primaria. Gli scambiatori di calore sono collegati al tubo di alimentazione dell’aria primaria per il riscaldamento/raffreddamento dell’aria di combustione. In questo modo è la temperatura dell’aria di combustione primaria in entrata riscaldata / raffreddata al livello di temperatura desiderato. La temperatura minima dell’aria di alimentazione era di -5°C e gradualmente aumentata fino a 40°C. L’aumento della temperatura tra le misurazioni era di 5°C ed era regolato dallo scambiatore di calore, che si trova dietro la ventola in un condotto. Il controllo della temperatura per lo scambiatore di calore è stato assicurato dal termostato circolatorio Julabo F40.

Lo schema di supporto sperimentale per l’alimentazione dell’aria di riscaldamento/raffreddamento è mostrato nella Figura 2.

Figura 2

Schema di configurazione sperimentale.

Per valutare la qualità del processo di combustione, la composizione del gas è stata misurata dall’analizzatore.

3.2. Dendromass

Durante l’esperimento sono stati testati anche i diversi tipi di legno. Ogni misurazione è durata 1 ora ed è stata bruciata a circa 1,5 kg di carburante. Per le misurazioni sperimentali sono stati utilizzati i seguenti tipi di legno elencati nella tabella 1.

3.3. Posizione dell’aria secondaria

Le moderne modifiche consentono un aumento dell’efficienza di riscaldamento e una riduzione della concentrazione di emissioni. La quantità di emissioni può essere influenzata da diversi fattori. Uno dei fattori importanti è la posizione dell’aria di combustione secondaria.

La fonte di calore sperimentale ha le seguenti prese d’aria:(i)primaria (frontale)—flusso d’aria attraverso la griglia e il posacenere verso il carburante,(ii)secondaria (posteriore)—processo che utilizza gas combustibili residui che normalmente fuoriescono attraverso il camino. Vi è un aumento dell’efficienza e quindi un minor consumo di carburante,(iii)terziario (top)—utilizzato per soffiare via il parabrezza, prevenendo l’intasamento, contribuendo anche al miglioramento del processo di combustione e riducendo le emissioni. Camino è progettato per la combustione di legno pezzo (vedi Figura 3).

(a)

(b)

(a)
(b)

Figura 3

Posizione della combustione prese d’aria.

In questo compito, sono state studiate le diverse posizioni della presa d’aria secondaria. L’obiettivo era quello di valutare ogni volta che la posizione della presa d’aria ha un’influenza sulla formazione di particolato.

4. Risultati e discussione

Durante le misurazioni sono state registrate le concentrazioni delle seguenti emissioni: CO, CO2, NO e particolato nei gas di combustione.

4.1. Effetto della temperatura dell’aria sulla formazione di emissione

La temperatura dell’aria di combustione primaria fornita al camino variava modificando la temperatura di impostazione sul circolatore refrigerato.

Diverse temperature dell’aria di combustione primaria hanno un impatto sulla formazione di emissioni gassose e particolato.

La figura 4 mostra i risultati della misurazione dell’anidride carbonica in base alla temperatura impostata dell’aria di combustione primaria.

Figura 4

Emissioni medie di CO2 in funzione della variazione di temperatura dell’aria di combustione primaria.

La CO2 media più alta è stata registrata a 35°C dell’aria in ingresso, mentre a 15°C dell’aria in ingresso è stato registrato il valore medio più basso del 3,20%. La formazione di anidride carbonica tende ad aumentare con l’aumentare della temperatura dell’aria di combustione primaria.

La figura 5 mostra i risultati della misurazione del monossido di carbonio.

Figura 5

Emissioni medie di CO in funzione della variazione di temperatura dell’aria di combustione primaria.

I valori medi più alti hanno raggiunto 7193 mg·m−3 di CO e sono stati registrati a 10°C di aria in ingresso, mentre a 30°C l’aria di alimentazione ha raggiunto il valore medio più basso di 5051 mg·m−3. I risultati indicano che la formazione di monossido di carbonio ha una tendenza a diminuire con l’aumentare della temperatura dell’aria di combustione primaria.

La dipendenza della formazione dalle diverse temperature dell’aria di combustione primaria alla fonte di calore sperimentale mostra la figura 6.

Figura 6

Emissioni medie in funzione della variazione di temperatura dell’aria di combustione primaria.

I valori medi più alti del misurato (111,65 mg·m−3) sono stati raggiunti a 10°C e i valori medi più bassi sono stati misurati a 20°C con un valore di 80,16 mg * m−3. la produzione tende a diminuire con l’aumentare della temperatura dell’aria di combustione primaria.

I risultati della concentrazione di PM in base alla temperatura dell’aria di combustione primaria sono mostrati nelle figure 7 e 8.

Figura 7

Concentrazioni di particolato per diverse temperature dell’aria.

Figura 8

Dipendenza del particolato totale dalla temperatura.

La misurazione del particolato con un cambiamento di temperatura dell’aria di combustione ha raggiunto la concentrazione massima di 202 mg * m−3. La concentrazione minima di emissione di PM è stata generata a 35°C di aria di combustione.

4.2. Diverso tipo di dendromassa

La seconda parte del lavoro riguarda l’effetto di diversi dendromassa alla formazione di particelle solide. Generazione di emissioni è in gran parte influenzata dal tipo di combustibile che viene bruciato in fonte di calore. Ogni combustibile ha proprietà e composizione chimica diverse, che alla fine influenzano il processo di combustione, la quantità di emissioni effettive e il contenuto di ceneri. Durante le misurazioni sperimentali sono state assicurate le stesse condizioni di combustione, cioè un apporto uniforme di aria primaria, secondaria e terziaria, la stessa pressione nel camino (12 Pa) e una dose massima di 1,5 kg di carburante.

Le misurazioni del particolato sono state condotte su tutti i tipi di legno per 30 minuti. Durante questo periodo sono stati catturati PM ai filtri da ciascun campione. Questi sono stati successivamente spogliati di umidità e pesati. Le concentrazioni di particolato sono state determinate dalla differenza di peso del filtro prima e dopo la misurazione. La più alta quantità di particolato è stata osservata nelle misurazioni di betulla bianca con corteccia e faggio (Figura 9).

Figura 9

Concentrazioni di PM per diversi tipi di dendromassa.

4.3. Diverse posizioni dell’aria secondaria

La parte finale presenta la posizione più efficace della presa d’aria secondaria in relazione alla formazione di particelle. È stata analizzata l’influenza della posizione di tre ingressi d’aria.

Nella figura 10 sono riportati i valori minimi e massimi delle concentrazioni misurate di particolato (PM). La misurazione del PM per tutta l’aria di combustione completamente aperta ha raggiunto la concentrazione 21 mg * m-3. La concentrazione minima di PM è stata registrata con il coinvolgimento della fornitura secondaria nella seconda fila, dove sono stati misurati solo 13,09 mg·m−3.

Figura 10

Dipendenza del PM dalla posizione della presa d’aria.

Si può concludere che in termini di PM è vantaggioso fornire l’aria di combustione attraverso la seconda fila.

5. Conclusione

Lo scopo di questo lavoro era dimostrare l’impatto della temperatura dell’aria di combustione primaria sui parametri delle emissioni.

I risultati presentati delle emissioni a seconda della temperatura dell’aria di combustione primaria non indicano l’impostazione della temperatura più adatta. Per ogni tipo di emissione è stato raggiunto il valore più basso a diverse temperature dell’aria di combustione primaria.

Da misure sperimentali, di solido emissioni è chiaro che in termini di valore più basso del PM è preferito per la fornitura di aria primaria di combustione nel processo di combustione ad una temperatura di 35°C.

Si può affermare che la produzione di monossido di carbonio (CO) diminuisce con l’aumentare della temperatura a spese di una maggiore produzione di anidride carbonica (CO2). La formazione di CO è influenzata da diversi fattori e quindi la sua diversa concentrazione durante le misurazioni non può essere attribuita al cambiamento delle temperature dell’aria di combustione.

In questo lavoro di ricerca è stata effettuata un’analisi dell’impatto di diversi tipi di dendromassa sulla formazione di particolato durante il processo di combustione. I risultati delle misurazioni indicano che il tipo di combustibile ha un’influenza considerevole sul processo di combustione e sulla formazione di particelle. Questo fenomeno è in gran parte influenzato dalle diverse proprietà e dalla composizione chimica dei diversi tipi di dendromassa.

Nel caso della betulla senza corteccia, sono stati misurati i valori più bassi di PM, suggerendo che la corteccia della legna da ardere ha una proporzione significativa sulla formazione di particelle solide.

I risultati misurati mostrano che il tipo di legna da ardere influisce sui parametri di emissione della fonte di calore.

La modellazione al computer sta diventando sempre più potente e sviluppata, guadagnando così popolarità. Sta emergendo come uno strumento interessante per assistere l’ingegnere della combustione in settori quali la progettazione di nuovi processi, lo scale-up dell’impianto, il retrofitting e il controllo degli inquinanti. Pertanto la simulazione numerica della formazione di particolato sarà effettuata nella ricerca futura.

Conflitto di interessi

Non vi è alcun conflitto di interessi per quanto riguarda la pubblicazione di questo documento.

Riconoscimenti

Questo lavoro è stato sostenuto dal VEGA no. 1/1353/12 e sponsorizzato nel quadro del programma OPV-Podpora kvality vzdelávania a rozvoj l’udských zdrojov v oblasti technického výskumu a vývoja v priestore modernej vedomostnej spoločnosti ITMS 26110230117.