emissiebeheersing met behulp van verschillende temperaturen van verbrandingslucht

Abstract

veel fabrikanten van warmtebronnen streven ernaar het maximale rendement te bereiken van de omzetting van energie die chemisch aan warmte gebonden is in de brandstof. Daarom is het noodzakelijk om het verbrandingsproces te stroomlijnen en de vorming van emissie tijdens de verbranding te minimaliseren. De paper presenteert een analyse van de verbrandingsluchttemperatuur aan de warmteprestaties en emissieparameters van de verbranding van biomassa. In het tweede deel van het artikel wordt de impact van verschillende dendromas op de vorming van emissies in kleine warmtebron geëvalueerd. Uit de meetresultaten blijkt dat de regeling van de temperatuur van de verbrandingslucht een effect heeft op de concentratie van emissies uit de verbranding van biomassa.

1. Inleiding

het hoofddoel van de Europese Unie is het benutten van het potentieel van energiebesparingen en hernieuwbare bronnen. In Slowakije lijkt biomassa de meest veelbelovende hernieuwbare energiebron te zijn. Het gebruik ervan wordt steeds belangrijker. De meest voorkomende vorm van biomassa is hout, in stukken of als houtafval. Tijdens het verbrandingsproces van hernieuwbare brandstoffen worden verontreinigende stoffen in de atmosfeer gegenereerd en hebben ze een negatieve invloed op de menselijke gezondheid. De meest gecontroleerde verontreinigende stoffen zijn zwevende deeltjes, koolmonoxide, stikstofoxiden en zwaveldioxide .

bij de verbranding uitgestoten emissies bestaan voornamelijk uit verontreinigende gassen en deeltjes. Het doel is de concentratie van deze stoffen tot een aanvaardbaar niveau terug te brengen, aangezien de emissies een aanzienlijk deel van de luchtverontreiniging uitmaken .

de vaste deeltjes worden ingesloten met rookgasstroom uit de verbrandingskamer van de ketel. Fijnstof (PM) bestaat uit roet, anorganisch materiaal (as) en organisch materiaal (niet-vluchtig ontvlambaar). Deeltjes worden in het rookgas ingevoerd door AS, niet-vluchtig en brandbaar roet.

de vorming van deeltjes tijdens de verbranding van brandstoffen is afhankelijk van vele factoren, waaronder vlamtemperatuur, samenstelling en concentratie van verbrandingsreagentia, en verblijftijd binnen de reactiezone . Hoewel de vorming van deeltjes door verbranding niet volledig is begrepen, wordt vermoed dat het proces zowel nucleatie-als condensatiemechanismen omvat .

de grootte van de tijdens de verbranding gevormde deeltjes is afhankelijk van de tijd die in de vormings-en oxidatiezones wordt doorgebracht. De grootte van een biomassa-uitlaatdeeltje kan een bereik van minder dan 0,01 µm tot groter dan 100 µm overspannen. Het merendeel van de biomassaverbrandingsaërosol is echter doorgaans kleiner dan 1 µm in diameter .

vandaag is de grootste aandacht besteed aan de grootte van deeltjes (aërodynamische diameter) kleiner dan 10 µm (PM10), die in de luchtwegen kunnen doordringen. Deeltjes van deze fractie zijn verdeeld in twee groepen op basis van verschillende grootte, het mechanisme, de samenstelling en het gedrag van de atmosfeer.

de eerste groep bestaat uit deeltjes met een grootte van minder dan 2,5 µm (fijn inadembare fractie—PM2,5), die het gevolg zijn van chemische reacties nucleatie, condensatie van gasvormige emissies gegenereerd aan het oppervlak van deeltjes, of coagulatie van de fijnste deeltjes.

de tweede groep creëerde deeltjes in het bereik van de grootte van 2,5 tot 10 µm (grove fractie—PM2,5 tot 10).

fijnste deeltjes met een diameter van minder dan 2,5 µm (PM2,5) worden geacht de grootste schade aan de menselijke gezondheid te veroorzaken. Ze storten diep in de longen en blokkeren de reproductie van cellen .

verschillende houtsoorten hebben een verschillende samenstelling en eigenschappen, zoals de calorische waarde en het smeltgedrag van de as bij de temperatuur, die de productie van PM sterk beïnvloeden.

in dit onderzoek werden experimentele metingen uitgevoerd, die gericht waren op de vorming van PM tijdens de verbranding van verschillende soorten dendromas in een kleine warmtebron. Ook wordt het effect van verschillende temperaturen van de primaire verbrandingslucht op de emissieparameters geëvalueerd.

2. Meting van Emissieparameters

methoden voor het meten van emissies van verontreinigende stoffen kunnen in principe worden onderverdeeld in het meten van deeltjes en gasvormige stoffen. De methoden en meetprincipes zijn gebaseerd op de emissie-eigenschappen van het vloeistofmedium. Een van de methoden voor het meten van deeltjes wordt hieronder weergegeven.

Gravimetrische Methode. Gravimetrische methode is de manuele enkelvoudige methode met bemonstering van het stroomgas door middel van een sonde. Het is gebaseerd op de bepaling van de mediane concentraties door bemonstering van meerdere meetpunten met een dwarsdoorsnede en de daaropvolgende gravimetrische beoordeling ervan. Vaste verontreinigingen worden meestal gescheiden door een buitenfilter.

representatieve bemonstering wordt uitgevoerd met een bemonsteringssonde die geschikt is voor de vorm en de juiste snelheid onder isokinetische toestand .

de concentratie van zwevende deeltjes in het rookgas valt onder standaardomstandigheden en kan worden bepaald voor natte of droge rookgassen. Gemeten volume van het monster genomen op de volume gasmeter moet worden omgezet in standaardomstandigheden, dat wil zeggen, 101325 Pa druk en temperatuur van 273,15 K (0°C). Daarom worden de temperatuur en druk van het gemeten Monster gemeten vóór de gasmeter.

de cumulatieve verzameling kan in de doorsnede de gemiddelde concentratie maar niet het concentratieprofiel aangeven. De stroomsnelheid of-stroom van het bemonsteringsgas wordt gemeten door ervoor te zorgen dat de isokinetische omstandigheden worden gewaarborgd, bijvoorbeeld door middel van een apertuurspoor en een totale hoeveelheid gas die wordt opgevangen door een gasmeter .

bij de gravimetrische methode worden representatieve monsters genomen door middel van een sonde met een passende vorm, direct uit het stromende gas .

om aan de toenemende eisen voor de bepaling van fijne deeltjes te voldoen, werd bij deze experimenten de meertraps-botslichaam-sonde gebruikt. Het scheidingssysteem van het botslichaam is bedoeld voor het filtreren en scheiden van vaste emissies in drie fasen van het botslichaam. De constructie van de inrichting maakt parallelle scheiding van vaste elementen PM 10 en PM 2,5 mogelijk (figuur 1).

(een)

b)

(a)
b)

Figuur 1

Meertraps scheiding botslichaam.

het voordeel van de gravimetrische methode is de eenvoud en de relatief lage monsternemingskosten.

3. Experimentele meting

aangezien de warmtebron werd gebruikt voor een open haard met een vermogen van 6 kW, die is ontworpen voor het verbranden van stukhout. De bodem van de verbrandingskamer is bedekt met een rooster en de container waar de as valt. Toegang tot de verbrandingskamer is door de deuren die zijn geglazuurd met een hoge hittebestendig glas.

3.1. Het koelen / verwarmen van verbrandingslucht

het veranderen van de temperatuur van de inlaat van de verbrandingslucht werd uitgevoerd op de primaire verbrandingslucht. De warmtewisselaars worden aangesloten op de leiding van primaire luchttoevoer voor verwarming / koeling van verbrandingslucht. Op deze manier wordt de temperatuur van de inkomende primaire verbrandingslucht verwarmd/gekoeld tot het gewenste temperatuurniveau. De minimale toevoerluchttemperatuur was -5°C en steeg geleidelijk tot 40°C. De temperatuurstijging tussen de metingen was 5°C en werd geregeld door de warmtewisselaar, die zich achter de ventilator in een kanaal bevindt. De temperatuurregeling voor de warmtewisselaar werd gewaarborgd door de circulatiethermostaat Julabo F40.

het schema van de experimentele stand voor de toevoer van verwarmings – /koellucht is weergegeven in Figuur 2.

Figuur 2

schema van experimentele setup.

om de kwaliteit van het verbrandingsproces te evalueren, werd de gassamenstelling gemeten met een analysator.

3.2. Dendromas

tijdens het experiment werden ook de verschillende houtsoorten getest. Elke meting duurde 1 uur en werd verbrand tot ongeveer 1,5 kg brandstof. Voor de experimentele metingen werden de volgende houtsoorten gebruikt die in Tabel 1 zijn vermeld.

3.3. Positie van secundaire lucht

moderne modificaties maken een verhoging van het verwarmingsrendement en een vermindering van de emissieconcentratie mogelijk. De hoeveelheid emissies kan door verschillende factoren worden beïnvloed. Een van de belangrijke factoren is de positie van secundaire verbrandingslucht.

de experimentele warmtebron heeft de volgende luchtinlaten: (I) primaire(frontale)luchtstroom door het rooster en de asbak naar de brandstof, (ii) secundaire (back)—proces met behulp van residuele brandbare gassen die normaal door de schoorsteen zouden ontsnappen. Er is een toename van de efficiëntie en dus een lager brandstofverbruik,(iii)tertiair (top)—gebruikt voor het afblazen van de voorruit, het voorkomen van verstopping, ook bijdragen aan de verbetering van het verbrandingsproces, en het verminderen van de emissies. Open haard is ontworpen voor het verbranden van stuk hout (zie Figuur 3).

(een)

b)

(a)
b)

Figuur 3

Positie van de verbranding lucht inlaten.

bij deze taak werden de verschillende posities van de secundaire luchtinlaat onderzocht. Het doel was na te gaan wanneer de plaats van de luchtinlaat invloed heeft op de vorming van zwevende deeltjes.

4. Resultaten en discussie

tijdens de metingen werden concentraties van de volgende emissies geregistreerd: CO, CO2, en NO en deeltjes in het rookgas.

4.1. Effect van de luchttemperatuur op de Emissievorming

de temperatuur van de primaire verbrandingslucht die aan de haard wordt geleverd, varieerde door de insteltemperatuur op de koelcirculator te wijzigen.

verschillende temperaturen van de primaire verbrandingslucht hebben invloed op de vorming van gasvormige emissies en deeltjes.

Figuur 4 toont de resultaten van de meting van kooldioxide volgens de ingestelde temperatuur van de primaire verbrandingslucht.

Figuur 4

gemiddelde CO2-uitstoot afhankelijk van de temperatuurverandering van de primaire verbrandingslucht.

het hoogste gemiddelde CO2 werd geregistreerd bij 35°C inlaatlucht, terwijl bij 15°C toegevoerde lucht de laagste gemiddelde waarde van 3,20% werd geregistreerd. De vorming van kooldioxide neemt toe naarmate de temperatuur van de primaire verbrandingslucht stijgt.

Figuur 5 toont de resultaten van de meting van koolmonoxide.

Figuur 5

gemiddelde CO-emissies afhankelijk van de temperatuurverandering van de primaire verbrandingslucht.

de hoogste gemiddelde waarden bereikten 7193 mg * m−3 CO en werden geregistreerd bij 10°C inlaatlucht, terwijl bij 30°C toevoerlucht de laagste gemiddelde waarde van 5051 mg·m−3 bereikte. De resultaten wijzen erop dat de vorming van koolmonoxide een trend vertoont om af te nemen met de toenemende temperatuur van de primaire verbrandingslucht.

de afhankelijkheid van de vorming van de verschillende temperaturen van de primaire verbrandingslucht ten opzichte van de experimentele warmtebron toont figuur 6.

Figuur 6

gemiddelde emissies afhankelijk van de temperatuurverandering van de primaire verbrandingslucht.

de hoogste gemiddelde waarden van de gemeten (111,65 mg * m-3) werden bereikt bij 10°C, en de laagste gemiddelde waarden werden gemeten bij 20°C met een waarde van 80,16 mg·m−3. de productie neemt af naarmate de temperatuur van de primaire verbrandingslucht stijgt.

de resultaten van de DEELTJESMATERIAALCONCENTRATIE, afhankelijk van de temperatuur van de primaire verbrandingslucht, zijn weergegeven in de figuren 7 en 8.

Figuur 7

concentraties van deeltjes bij verschillende luchttemperaturen.

Figuur 8

afhankelijkheid van de totale deeltjes van de temperatuur.

de meting van zwevende deeltjes met een verandering van de temperatuur van de verbrandingslucht heeft de maximale concentratie van 202 mg·m−3 bereikt. De minimumconcentratie van de deeltjesemissie werd gegenereerd bij 35°C verbrandingslucht.

4.2. Verschillend Type Dendromas

het tweede deel van het werk behandelt het effect van verschillende dendromas op de vorming van vaste deeltjes. De opwekking van emissies wordt grotendeels beïnvloed door het type brandstof dat wordt verbrand in warmtebron. Elke brandstof heeft verschillende eigenschappen en chemische samenstelling, die uiteindelijk van invloed op het verbrandingsproces, de hoeveelheid werkelijke emissies, en asgehalte. Tijdens de experimentele metingen werden dezelfde verbrandingsomstandigheden verzekerd, dat wil zeggen een gelijkmatige toevoer van primaire, secundaire en tertiaire lucht, dezelfde druk in de schoorsteen (12 Pa) en een maximale dosis van 1,5 kg brandstof.

gedurende 30 minuten werden Deeltjesmetingen op alle houtsoorten uitgevoerd. Gedurende deze tijd werden opgevangen PM Aan de filters van elk monster. Deze werden vervolgens ontdaan van vocht en gewogen. De concentraties van deeltjes werden bepaald door het verschil in gewicht van het filter voor en na de meting. De grootste hoeveelheid deeltjes werd waargenomen bij metingen van witte berk met schors en beuk (figuur 9).

figuur 9

concentraties van PM voor verschillende soorten dendromas.

4.3. Verschillende posities van secundaire lucht

het laatste deel geeft de meest effectieve locatie weer van de secundaire luchtinlaat in relatie tot de vorming van deeltjes. De invloed van drie luchtinlaten positie werd geanalyseerd.

in Figuur 10 worden de minimale en maximale waarden van de gemeten deeltjesmateriaalconcentraties (PM) weergegeven. Meting van PM voor alle volledig open verbrandingslucht bereikte concentratie 21 mg * m-3. De minimumconcentratie van PM werd geregistreerd met de betrokkenheid van secundaire toevoer in de tweede rij, waar slechts 13,09 mg·m−3 werd gemeten.

Figuur 10

afhankelijkheid van PM van de positie van de luchtinlaat.

er kan worden geconcludeerd dat het in termen van PM voordelig is om de verbrandingslucht via de tweede rij te leveren.

5. Conclusie

het doel van deze werkzaamheden was het effect van de temperatuur van de primaire verbrandingslucht op de emissieparameters aan te tonen.

gepresenteerde emissieresultaten afhankelijk van de temperatuur van de primaire verbrandingslucht geven niet de meest geschikte temperatuurinstelling aan. Voor elk type emissie is de laagste waarde bij verschillende temperaturen van de primaire verbrandingslucht bereikt.

uit de experimentele metingen van vaste emissies blijkt duidelijk dat in termen van de laagste waarde van fijnstof de voorkeur wordt gegeven aan de toevoer van primaire verbrandingslucht in het verbrandingsproces bij een temperatuur van 35°C.

kan worden gesteld dat de productie van koolmonoxide (CO) afneemt met de stijgende temperatuur ten koste van een hogere productie van kooldioxide (CO2). De vorming van CO wordt door verschillende factoren beïnvloed en daarom kan de verschillende concentratie tijdens de metingen niet worden toegeschreven aan veranderende temperaturen van de verbrandingslucht.

in dit onderzoek werd een analyse uitgevoerd van de invloed van verschillende soorten dendromas op de vorming van deeltjes tijdens het verbrandingsproces. Uit de meetresultaten blijkt dat het type brandstof van grote invloed is op het verbrandingsproces en de vorming van deeltjes. Dit fenomeen wordt grotendeels beïnvloed door de verschillende eigenschappen en chemische samenstelling van verschillende soorten dendromas.

in het geval van berken zonder schors werden de laagste waarden van PM gemeten, wat erop wijst dat de schors van brandhout een significant aandeel heeft in de vorming van vaste deeltjes.

uit de meetresultaten blijkt dat het brandhout de emissieparameters van de warmtebron beïnvloedt.

computermodellering wordt steeds krachtiger en ontwikkeld, en wint daarom aan populariteit. Het is in opkomst als een aantrekkelijk instrument om de verbrandingsingenieur bij te staan op gebieden als nieuw procesontwerp, schaalvergroting van installaties, retrofitting en bestrijding van verontreinigende stoffen. Daarom zal de numerieke simulatie van de vorming van fijnstof worden gedaan in het toekomstige onderzoek.

belangenconflicten

er is geen belangenconflict met betrekking tot de publicatie van dit document.

Dankbetuigingen

This work was supported by the VEGA no. 1/1353/12 and sponsored in the frame of program OPV-Podpora kvality vzdelávania a rozvoj l ‘ udských zdrojov v oblasti technického výskumu a vývoja v priestore modernej vedomostnej spoločnosti ITMS 26110230117.