kontrola emisji przy użyciu różnych temperatur powietrza do spalania

Streszczenie

celem wielu producentów źródeł ciepła jest osiągnięcie maksymalnej efektywności przemiany energii związanej chemicznie w paliwie z ciepłem. Dlatego konieczne jest usprawnienie procesu spalania i zminimalizowanie powstawania emisji podczas spalania. W pracy przedstawiono analizę temperatury powietrza spalania do parametrów cieplnych i emisyjnych spalania biomasy. W drugiej części pracy oceniono wpływ różnych dendromasów na powstawanie emisji w małym źródle ciepła. Wyniki pomiarów pokazują, że regulacja temperatury powietrza spalania ma wpływ na stężenie emisji ze spalania biomasy.

1. Wprowadzenie

głównym celem Unii Europejskiej jest wykorzystanie potencjału oszczędności energii i źródeł odnawialnych. Na Słowacji najbardziej obiecującym źródłem energii odnawialnej wydaje się biomasa. Jego zastosowanie ma coraz większe znaczenie. Najczęstszą formą biomasy jest drewno, w kawałkach lub jako odpady drzewne. Podczas procesu spalania paliw odnawialnych do atmosfery generowane są zanieczyszczenia, które mają negatywny wpływ na zdrowie człowieka. Najczęściej monitorowanymi zanieczyszczeniami są cząstki stałe, tlenek węgla, tlenki azotu i dwutlenek siarki .

Emisje emitowane podczas spalania składają się głównie z zanieczyszczeń gazowych i pyłowych. Celem jest zmniejszenie stężenia tych substancji do akceptowalnego poziomu, ponieważ emisje mają znaczny udział w zanieczyszczeniu powietrza .

cząstki stałe są wciągane strumieniem spalin z komory spalania kotła. Pył zawieszony (PM) składa się z sadzy, materii nieorganicznej (popiół) i materii organicznej (nieulotna łatwopalna). Cząstki są importowane do gazów spalinowych przez popiół, nieulotną i palną sadzę.

powstawanie cząstek stałych podczas spalania paliwa zależy od wielu czynników, w tym temperatury płomienia, składu i stężenia reagentów spalania oraz czasu przebywania w strefie reakcji . Chociaż tworzenie się cząstek stałych ze spalania nie jest w pełni zrozumiałe, podejrzewa się, że proces ten obejmuje zarówno mechanizmy zarodkowania, jak i kondensacji .

wielkość cząstek powstałych podczas spalania zależy od czasu spędzonego w strefach formowania i utleniania. Wielkość cząstek wylotowych z biomasy może wynosić od mniej niż 0,01 µm do więcej niż 100 µm. Jednak większość aerozolu do spalania biomasy ma zazwyczaj średnicę mniejszą niż 1 µm .

obecnie największą uwagę zwraca się na wielkość cząstek (średnica aerodynamiczna) poniżej 10 µm (PM10), które mogą przenikać do dróg oddechowych. Cząstki tej frakcji są podzielone na dwie grupy w zależności od różnych wielkości, mechanizmu, składu i zachowania atmosfery.

pierwsza grupa składa się z cząstek o wielkości poniżej 2,5 µm (drobna frakcja respirabilna—PM2,5), powstających w wyniku reakcji chemicznych zarodkowania, kondensacji emisji gazowych generowanych na powierzchni cząstek lub koagulacji najdrobniejszych cząstek.

druga grupa wytworzyła cząstki w zakresie wielkości od 2,5 do 10 µm (frakcja gruboziarnista—PM2,5 do 10).

najdrobniejsze cząstki o średnicy poniżej 2,5 µm (PM2,5) są uważane za najbardziej szkodliwe dla zdrowia ludzkiego. Osadzają się głęboko w płucach i blokują rozmnażanie komórek .

różne rodzaje drewna mają różny skład i właściwości, takie jak wartość opałowa i zachowanie temperatury topnienia popiołu, co znacznie wpływa na produkcję PM.

w tej pracy przeprowadzono eksperymentalne pomiary skupiające się na powstawaniu PM podczas spalania różnych typów dendromassu w małym źródle ciepła. Oceniany jest również wpływ różnych temperatur powietrza pierwotnego spalania na parametry emisji.

2. Pomiar parametrów emisji

metody pomiaru emisji zanieczyszczeń można zasadniczo podzielić na pomiar cząstek stałych i substancji gazowych. Metody i zasady pomiaru opierają się na właściwościach emisyjnych medium płynnego. Poniżej przedstawiono jedną z metod pomiaru cząstek stałych.

Metoda Grawimetryczna. Metoda grawimetryczna jest ręczną metodą pojedynczą z próbkowaniem gazu przepływowego za pomocą sondy. Opiera się ona na określeniu średnich stężeń poprzez pobieranie próbek z wielu punktów przekroju pomiarowego i ich późniejszą ocenę grawimetryczną. Zanieczyszczenia stałe są zwykle oddzielane przez filtr zewnętrzny.

reprezentatywne pobieranie próbek odbywa się za pomocą sondy próbkującej o odpowiednim kształcie i prawidłowej prędkości w Warunkach izokinetycznych .

stężenie cząstek stałych w gazach spalinowych jest objęte standardowymi warunkami i może być określone dla mokrych lub suchych gazów spalinowych. Zmierzoną objętość próbki pobranej na gazomierzu objętościowym należy przeliczyć na warunki standardowe, czyli ciśnienie 101325 Pa i temperaturę 273,15 K (0°C). Dlatego temperatura i ciśnienie mierzonej próbki są mierzone przed gazomierzem.

zbiór zbiorczy może zapewnić w przekroju średnie stężenie, ale nie profil stężenia. Prędkość przepływu lub przepływ próbki gazu jest mierzony przez zapewnienie warunków izokinetycznych, na przykład za pomocą toru przysłony i całkowitej zebranej ilości gazu za pomocą gazomierza .

w metodzie grawimetrycznej pobieranie próbek reprezentatywnych jest realizowane przez sondę o odpowiednim kształcie bezpośrednio z przepływającego gazu .

aby sprostać rosnącym wymaganiom dotyczącym oznaczania drobnych cząstek, w tych eksperymentach zastosowano wielostopniową sondę udarową. Układ separacji impaktora jest przeznaczony do filtrowania i oddzielania emisji stałych w trójstopniowym impaktorze. Konstrukcja urządzenia umożliwia równoległe oddzielanie elementów stałych PM 10 i PM 2,5 (Rys. 1).

zaletą metody grawimetrycznej jest jej prostota i stosunkowo niskie koszty próbkowania.

3. Pomiar eksperymentalny

jako źródło ciepła zastosowano kominek o mocy 6 kW, który przeznaczony jest do spalania kawałków drewna. Dno komory spalania zwieńczone jest rusztem i pojemnikiem, w którym spada popiół. Dostęp do komory spalania odbywa się przez drzwi przeszklone szybą żaroodporną.

3.1. Chłodzenie / ogrzewanie powietrza spalania

zmiana temperatury wlotu powietrza spalania została przeprowadzona na powietrzu spalania pierwotnego. Wymienniki ciepła są podłączone do rury głównego dopływu powietrza w celu ogrzewania / chłodzenia powietrza spalania. W ten sposób jest to Temperatura napływającego powietrza spalania pierwotnego ogrzanego/chłodzonego do pożądanego poziomu temperatury. Minimalna temperatura powietrza nawiewanego wynosiła -5°C i stopniowo wzrastała do 40°C. wzrost temperatury pomiędzy pomiarami wynosił 5°C i był regulowany przez wymiennik ciepła, który znajduje się za wentylatorem w kanale. Regulację temperatury wymiennika ciepła zapewniał termostat cyrkulacyjny Julabo F40.

schemat stanowiska doświadczalnego dla zasilania powietrzem grzewczym / chłodzącym przedstawiono na fig. 2.

w celu oceny jakości procesu spalania, skład gazu został zmierzony za pomocą analizatora.

3.2. Dendromass

podczas eksperymentu zbadano również różne rodzaje drewna. Każdy pomiar trwał 1 godzinę i był spalany do około 1,5 kg paliwa. Do pomiarów eksperymentalnych wykorzystano następujące rodzaje drewna wymienione w tabeli 1.

3.3. Położenie powietrza wtórnego

nowoczesne modyfikacje pozwalają na zwiększenie wydajności grzewczej i zmniejszenie stężenia emisji. Na ilość emisji może mieć wpływ kilka czynników. Jednym z ważnych czynników jest położenie wtórnego powietrza do spalania.

doświadczalne źródło ciepła ma następujące wloty powietrza:(i)pierwotne (przednie)—przepływ powietrza przez kratę i popielnicę w kierunku paliwa,(ii)wtórne (tylne)—proces wykorzystujący pozostałości gazów palnych, które normalnie wydostawałyby się przez komin. Następuje wzrost wydajności, a co za tym idzie niższe zużycie paliwa, (iii)trzeciorzędowy (górny)—stosowany do przedmuchiwania szyby, zapobiegający zatykaniu, przyczyniający się również do usprawnienia procesu spalania i redukcji emisji. Kominek przeznaczony jest do spalania kawałków drewna (patrz rysunek 3).

w tym zadaniu zbadano różne pozycje wlotu powietrza wtórnego. Celem była ocena sytuacji, w której położenie wlotu powietrza ma wpływ na powstawanie pyłu zawieszonego.

4. Wyniki i dyskusja

podczas pomiarów zarejestrowano stężenia następujących emisji: CO, CO2 i NO oraz cząstek stałych w gazach spalinowych.

4.1. Wpływ temperatury powietrza na powstawanie emisji

Temperatura powietrza pierwotnego spalania dostarczanego do kominka zmieniała się poprzez zmianę temperatury nastawy na cyrkulatorze chłodniczym.

różne temperatury powietrza pierwotnego spalania mają wpływ na powstawanie emisji gazowych i cząstek stałych.

Rysunek 4 przedstawia wyniki pomiaru dwutlenku węgla w zależności od zadanej temperatury powietrza pierwotnego spalania.

najwyższą średnią CO2 odnotowano przy 35°C powietrza wlotowego, natomiast przy 15 ° C powietrza nawiewanego najniższą średnią wartość wynoszącą 3,20%. Powstawanie dwutlenku węgla ma tendencję do zwiększania się wraz ze wzrostem temperatury powietrza pierwotnego spalania.

Rysunek 5 przedstawia wyniki pomiaru tlenku węgla.

najwyższe średnie wartości osiągnęły 7193 mg·m−3 CO i były rejestrowane przy 10°C powietrza wlotowego, natomiast przy 30°C powietrza nawiewanego osiągnęły najniższą średnią wartość 5051 mg·m−3. Wyniki wskazują, że powstawanie tlenku węgla ma tendencję do zmniejszania się wraz ze wzrostem temperatury powietrza pierwotnego spalania.

zależność powstawania od różnych temperatur powietrza pierwotnego spalania od doświadczalnego źródła ciepła pokazuje rysunek 6.

najwyższe średnie wartości mierzonej wartości (111,65 mg·m−3) uzyskano w temperaturze 10°C, a najniższe średnie wartości mierzono w temperaturze 20°c z wartością 80,16 mg·m−3. produkcja ma tendencję do zmniejszania się wraz ze wzrostem temperatury powietrza pierwotnego spalania.

wyniki stężenia cząstek stałych w zależności od temperatury powietrza pierwotnego spalania przedstawiono na fig. 7 i 8.

pomiar cząstek stałych ze zmianą temperatury powietrza spalania osiągnął maksymalne stężenie 202 mg·m−3. Minimalne stężenie emisji cząstek stałych zostało wytworzone w temperaturze 35°C powietrza spalania.

4.2. Inny typ Dendromasu

druga część pracy dotyczy wpływu różnych dendromasów na powstawanie cząstek stałych. Generowanie emisji zależy w dużej mierze od rodzaju paliwa, które jest spalane w źródle ciepła. Każde paliwo ma inne właściwości i skład chemiczny, co ostatecznie wpływa na proces spalania, ilość rzeczywistych emisji i zawartość popiołu. Podczas pomiarów doświadczalnych zapewniono takie same warunki spalania, czyli równomierne doprowadzenie powietrza pierwotnego, wtórnego i trzeciorzędowego, takie samo ciśnienie w kominie (12 Pa) oraz maksymalną dawkę 1,5 kg paliwa.

pomiary cząstek stałych przeprowadzono na wszystkich rodzajach drewna przez 30 minut. W tym czasie zostały przechwycone PM do filtrów z każdej próbki. Następnie zostały one pozbawione wilgoci i zważone. Stężenia cząstek stałych oznaczano na podstawie różnicy masy filtra przed i po pomiarze. Największą ilość pyłu stwierdzono w pomiarach brzozy białej z korą i bukiem (ryc. 9).

4.3. Różne pozycje powietrza wtórnego

ostatnia część przedstawia najbardziej efektywne położenie wlotu powietrza wtórnego w stosunku do powstawania cząstek stałych. Analizowano wpływ pozycji trzech wlotów powietrza.

na fig.10 przedstawiono minimalne i maksymalne wartości zmierzonych stężeń cząstek stałych (PM). Pomiar cząstek stałych dla wszystkich w pełni otwartego powietrza spalania osiągnął stężenie 21 mg·m−3. Minimalne stężenie PM zarejestrowano z udziałem podaży wtórnej w drugim rzędzie, gdzie mierzono tylko 13,09 mg * m-3.

można stwierdzić, że pod względem cząstek stałych korzystne jest dostarczanie powietrza do spalania przez drugi rząd.

5. Podsumowanie

celem pracy było zademonstrowanie wpływu temperatury powietrza pierwotnego spalania na parametry emisji.

przedstawione wyniki emisji w zależności od temperatury powietrza pierwotnego spalania nie wskazują najodpowiedniejszego ustawienia temperatury. Dla każdego rodzaju emisji osiągnięto najniższą wartość w różnych temperaturach pierwotnego powietrza spalania.

z eksperymentalnych pomiarów emisji stałych wynika, że pod względem najniższej wartości cząstek stałych preferowane jest doprowadzenie do procesu spalania powietrza pierwotnego w temperaturze 35°C.

można argumentować, że produkcja tlenku węgla (co) zmniejsza się wraz ze wzrostem temperatury kosztem wyższej produkcji dwutlenku węgla (CO2). Na powstawanie CO ma wpływ kilka czynników, dlatego jego różne stężenie podczas pomiarów nie może być przypisane zmianie temperatury powietrza spalania.

w niniejszej pracy badawczej przeprowadzono analizę wpływu różnych typów dendromasu na powstawanie cząstek stałych w procesie spalania. Wyniki pomiarów wskazują, że rodzaj paliwa ma znaczny wpływ na proces spalania i powstawanie cząstek stałych. Na zjawisko to w dużym stopniu wpływają różne właściwości i skład chemiczny różnych rodzajów dendromasu.

w przypadku brzozy bez kory zmierzono najniższe wartości cząstek stałych, co sugeruje, że kora drewna opałowego ma znaczący udział w tworzeniu cząstek stałych.

wyniki pomiarów pokazują, że rodzaj drewna opałowego wpływa na parametry emisji źródła ciepła.

modelowanie komputerowe staje się coraz potężniejsze i rozwijane, przez co zyskuje na popularności. Staje się atrakcyjnym narzędziem wspomagającym inżyniera spalania w takich obszarach, jak projektowanie nowych procesów, rozbudowa instalacji, modernizacja i kontrola zanieczyszczeń. Dlatego numeryczna symulacja powstawania cząstek stałych zostanie przeprowadzona w przyszłych badaniach.

konflikt interesów

nie ma konfliktu interesów w związku z publikacją niniejszego artykułu.

podziękowania

praca ta została wsparta przez VEGA nr 1/1353/12 i sponsorowana w ramach programu OPV-Podpora kvality vzdelávania a rozvoj l ‘ udských zdrojov v oblasti technického výskumu a vývoja v priestore moderej wedomostnej spoločnosti ITMS 26110230117.