異なる温度の燃焼空気を用いた排出制御
概要
多くの熱源メーカーの努力は、燃料中で化学的に熱に結合したエネルギー変換の最大効率を達成するこ したがって、燃焼プロセスを合理化し、燃焼中の放出の形成を最小限に抑えることが必要である。 燃焼バイオマスの熱性能と排出パラメータに対する燃焼空気温度の解析について述べた。 論文の第二部では、小さな熱源における排出量の形成に及ぼす異なるデンドロマスの影響を評価した。 測定結果は，燃焼空気の温度調節がバイオマスの燃焼からの排出量の濃度に影響を及ぼすことを示した。
1. はじめに
欧州連合の主な目的は、エネルギー節約と再生可能エネルギー源の可能性を活用することです。 スロバキアでは、最も有望な再生可能エネルギー源はバイオマスであると思われる。 その使用はますます重要になっています。 バイオマスの最も一般的な形態は、断片または木材廃棄物のいずれかで、木材です。 再生可能な燃料の燃焼プロセス中に汚染物質が大気中に生成され、人間の健康に悪影響を及ぼします。 最も監視されている汚染物質は、粒子状物質、一酸化炭素、窒素酸化物、および二酸化硫黄です。
燃焼中に放出される排出物は、主にガス状および粒子状の汚染物質で構成されています。 排出量は大気汚染のかなりの割合を持っているので、目的は、許容可能なレベルにこれらの物質の濃度を低減することです。
固体粒子はボイラーの燃焼室からのガス送管の流れと引きずられます。 粒子状物質（PM）は、すす、無機物（灰）、有機物（不揮発性可燃性）で構成されています。 粒子は灰、不揮発性および可燃性のすすによってガス送管に輸入されます。
燃料燃焼中の粒子状物質の形成は、火炎温度、燃焼反応物の組成と濃度、反応ゾーン内の滞留時間など、多くの要因に依存します。 燃焼からのＰＭ形成は完全には理解されていないが，その過程は核形成と凝縮の両方のメカニズムを伴うと考えられる。
燃焼中に形成される粒子の大きさは、形成ゾーンと酸化ゾーンに費やされる時間に依存します。 バイオマス排気粒子のサイズは、0.01μ m未満から100μ m以上の範囲に及ぶことができる。 しかし、バイオマス燃焼エアロゾルの大部分は、典型的には直径が１μ ｍより小さい。
今日は、気道に浸透する可能性のある10μ m（PM10）未満の粒子の大きさ（空気力学的直径）に最大の注意を払っています。 この画分の粒子は、異なるサイズ、メカニズム、組成、および大気の挙動に基づいて二つのグループに分割されます。
最初のグループは、化学反応の核生成、粒子の表面で発生するガス状の排出物の凝縮、または最高級の粒子の凝固から生じる2.5μ m以下の大きさの粒子（微細な呼吸性画分—PM2,5）で構成されている。
第二のグループは、2.5から10μ mのサイズの範囲の粒子を作成しました（粗い画分—PM2、5から10）。
直径が2.5μ m(PM2,5)以下の最高級の粒子は、人間の健康に最大の害を引き起こすと考えられています。 彼らは肺の深部に沈着し、細胞の再生をブロックする。
様々な種類の木材は、発熱量や温度の灰溶融挙動などの組成や特性が異なり、PMの生産に大きく影響します。
この研究では、実験的測定が行われ、小さな熱源での異なるタイプのデンドロマスの燃焼中のPMの形成に焦点を当てました。 一次燃焼空気の種々の温度が放出パラメータに及ぼす影響も評価した。
2. 排出パラメータの測定
汚染物質の排出量を測定する方法は、原則として粒子状物質とガス状物質の測定に分けることができます。 方法および測定原理は、流体媒体の放出特性に基づいている。 粒子状物質を測定するための方法の一つを以下に示す。
重量測定方法は調査によって流れのガスの見本抽出を用いる手動単一方法です。 それは測定の横断面およびそれに続く重量測定の査定の多数ポイントからの見本抽出によって中央の集中の決定に基づいている。 固体汚染物質は、通常、外部フィルターによって分離される。
代表的なサンプリングは、等速条件下でプローブに適した形状と正しい速度をサンプリングすることによって行われます。
煙道ガス中の粒子状物質の濃度は標準条件に覆われており、湿式または乾式の煙道ガスについて決定することができます。 容積のガスメートルで取られるサンプルの測定された容積は標準条件、すなわち、273.15Kの101325Pa圧力そして温度に変えられるべきです（0°C）。 従って、測定されたサンプルの温度そして圧力はガスメートルの前に測定されます。
累積コレクションは、断面平均濃度では提供できますが、濃度プロファイルでは提供できません。 試料ガスの流速または流れは、等速条件の確保によって、例えば、開口トラックおよびガスメーターによるガスの総収集量によって測定される。
重量法では、代表的なサンプルの採取は、流れるガスから適切な形状のプローブによって実現されます。
微粒子定量に向けた増加する要件を満たすために、多段インパクタプローブをこれらの実験に使用しました。 インパクターの分離システムは三段式インパクターの固体放出を濾過し、分けるように意図されている。 装置の構造は固体要素PM10およびPM2,5の平行分離を可能にする(図1)。
(a))
（b）)
(a)
(b))
多段分離インパクター。
重量測定法の利点は、そのシンプルさと比較的低いサンプラーコストです。
3. 実験的測定
熱源として使用された暖炉は、ピース木材の燃焼のために設計されている6キロワット、で定格。 燃焼室の底部には火格子と灰が落ちる容器がトッピングされています。 燃焼室へのアクセスは高い耐熱性ガラスと艶をかけられるドアを通ってある。
3.1. 燃焼空気の冷却/加熱
一次燃焼空気に対して燃焼空気入口の温度を変更しました。 熱交換器は燃焼の空気の熱するか、または冷却のための第一次空輸補給の管に差し込まれる。 この方法は望ましい温度レベルに熱されるか、または冷却される入って来る第一次燃焼の空気の温度である。 最小供給空気温度は-5°Cであり、徐々に40°cまで増加した測定間の温度の上昇は5°Cであり、ダクト内のファンの後ろに位置する熱交換器によっ 熱交換器のための温度調整は循環サーモスタットJulabo F40によって保障された。
加熱/冷却空気供給のための実験スタンドのスキームを図2に示します。
実験セットアップのスキーム。
燃焼プロセスの品質を評価するために、ガス組成を分析装置によって測定した。
3.2. Dendromass
実験中に、さまざまな種類の木材も同様に試験されました。 すべての測定は1時間続き、約1,5kgの燃料に燃やされました。 実験的測定のために、表１に記載されている以下のタイプの木材を使用した。
|
||||||||||||||||||||||||
3.3. 二次空気の位置
現代の変更は、加熱効率の増加と排出濃度の減少を可能にする。 排出量は、いくつかの要因によって影響を受ける可能性があります。 重要な要因の1つは、二次燃焼空気の位置です。
実験熱源には以下の空気入口があります：(i)一次（正面）—火格子と灰皿を通って燃料に向かう気流、(ii)二次（背面）—通常は煙突を通って逃げる残留可燃性ガス フロントガラスを吹き飛ばし、目詰まりを防止し、燃焼プロセスの改善にも貢献し、排出量を削減するために使用されます。 暖炉は部分木の焼却のために設計されている（図3を見なさい）。
(a)
(b))
(a)
(b)
(a)
(b))
燃焼の空気入口の位置。
この課題では，二次空気入口の異なる位置を調べた。 目的は、空気入口の位置が粒子状物質の形成に影響を与えるたびに評価することでした。
4. 結果と考察
測定中に、排ガス中のCO、CO2、NOおよび粒子状物質の濃度が記録されました。
4.1. 排出量の形成に及ぼす空気温度の影響
暖炉に供給される一次燃焼空気の温度は、冷蔵サーキュレータの設定温度を変更することによって変化した。
一次燃焼空気の温度が異なると、ガス状の排出物や粒子状物質の形成に影響を与えます。
図4は、一次燃焼空気の設定温度に応じた二酸化炭素の測定結果を示しています。
一次燃焼空気の温度変化に応じた平均CO2排出量。
最も高い平均CO2は入口の空気の35°Cで記録され、供給された空気の15°Cで3.20%の最も低い平均値が登録された。 二酸化炭素の生成は、一次燃焼空気の温度の上昇とともに増加する傾向がある。
図5は、一酸化炭素の測定結果を示しています。
一次燃焼空気の温度変化に応じて平均CO排出量。
最高の平均値はCOの7193mg·m−3に達し、10℃の入口空気で記録されたが、30℃の供給空気では5051mg·m−3の最低平均値に達した。 その結果，一酸化炭素の生成は一次燃焼空気の温度の上昇とともに減少する傾向があることが分かった。
一次燃焼空気の異なる温度に対する形成の実験熱源への依存性は、図6を示す。
一次燃焼空気の温度変化に応じて平均排出量。
測定された（111.65mg·m−3）の最高平均値は10℃で達成され、最低平均値は20℃で80.16mg·m−3の値で測定された。 生産は一次燃焼空気の温度の上昇とともに減少する傾向がある。
一次燃焼空気の温度に応じたPM濃度の結果を図7および図8に示します。
空気の異なった温度のための粒子状物質の集中。
全粒子状物質の温度への依存性。
燃焼空気の温度変化による粒子状物質の測定は、202mg·m−3の最大濃度に達しています。 PMの放出の最低の集中は燃焼空気の35°Cで発生しました。
4.2. 異なるタイプのデンドロマス
この作品の第二部では、異なるデンドロマスが固体粒子の形成に及ぼす影響を扱っています。 排出量の発生は、熱源で燃焼する燃料の種類によって大きく影響されます。 すべての燃料は、最終的に燃焼プロセス、実際の排出量、および灰分に影響を与える異なる特性および化学組成を有する。 実験測定中に、同じ燃焼条件、すなわち、一次、二次および三次空気の均一な供給、煙突内の同じ圧力（12Pa）、および燃料の1.5kgの最大用量が確保された。
すべての種類の木材について30分間粒子測定を行った。 この間、各試料からＰＭをフィルタに捕捉した。 これらはその後、水分を除去し、秤量した。 粒子状物質の濃度は、測定前後のフィルターの重量差によって決定した。 樹皮とブナを含む白樺の測定では、粒子状物質の量が最も多かった（図9）。
異なるタイプのデンドロマスに対するPMの濃度。
4.3. 二次空気の異なる位置
最後の部分は、粒子状物質の形成に関連して二次空気入口の最も効果的な位置を提示する。 三つの空気入口位置の影響を解析した。
図10に、測定された粒子状物質濃度（PM）の最小値と最大値を示します。 すべての完全に開いた燃焼空気のPMの測定は、濃度21mg·m−3に達した。 PMの最小濃度は、13,09mg·m−3のみが測定された第二の行に二次供給の関与を伴って登録された。
空気入口の位置に対するPMの依存。
ＰＭに関しては、第二列を通して燃焼空気を供給することが有利であると結論することができる。
5. 結論
この作業の目的は、一次燃焼空気温度が排出パラメータに及ぼす影響を実証することでした。
一次燃焼空気の温度に応じた排出結果は、温度の最適な設定を示すものではありません。 各タイプの放出のために第一次燃焼の空気の異なった温度の最も低い価値は達されました。
固体排出量の実験的測定から、PMの最低値に関しては、35℃の温度で一次燃焼空気を燃焼プロセスに供給することが好ましいことが明らかである。
一酸化炭素（CO）の生成は、二酸化炭素（CO2）の生成が高くなることを犠牲にして温度が上昇すると減少すると主張することができる。 COの形成は、いくつかの要因によって影響され、したがって、測定中のその異なる濃度は、燃焼空気の温度の変化に起因することはできません。
この研究では、燃焼プロセス中の粒子状物質の形成に及ぼす様々な種類のデンドロマスの影響の分析を行った。 測定の結果は、燃料の種類が燃焼プロセスおよび粒子状物質の形成にかなりの影響を及ぼすことを示している。 この現象は、異なるタイプのデンドロマスの異なる特性および化学組成によって大きく影響される。
樹皮のないバーチの場合、PMの最低値を測定し、薪の樹皮が固体粒子の形成にかなりの割合を持っていることを示唆しています。
測定結果は、薪の種類が熱源の放出パラメータに影響を与えることを示しています。
コンピュータモデリングはより強力になり、開発され、人気を得ています。 それは新しいプロセス設計、植物のスケールアップ、改装、および汚染物質制御のような区域の燃焼エンジニアを助ける魅力的な用具として現れてい したがって、今後の研究では、粒子状物質形成の数値シミュレーションが行われる予定です。
利益相反
本論文の出版に関する利益相反はありません。
謝辞
この作品は、VEGA no.1/1353/12によってサポートされ、プログラムOPV-Podpora kvality vzdelávania a rozvoj l’udských zdrojov v oblasti technického věskumu a věvoja v priestore modernej vedomostnej spoločnosti ITMSのフレームで後援されました26110230117.
