Controlul emisiilor folosind diferite temperaturi ale aerului de ardere

rezumat

efortul multor producători de surse de căldură este de a obține eficiența maximă a transformării energiei legată chimic în combustibil la căldură. Prin urmare, este necesar să se eficientizeze procesul de ardere și să se minimizeze formarea emisiilor în timpul arderii. Lucrarea prezintă o analiză a temperaturii aerului de ardere la parametrii de performanță termică și de emisie ai biomasei de ardere. În a doua parte a lucrării se evaluează impactul diferitelor dendromaze asupra formării emisiilor în surse mici de căldură. Rezultatele măsurate arată că reglarea temperaturii aerului de ardere are un efect asupra concentrației emisiilor din arderea biomasei.

1. Introducere

intenția principală a Uniunii Europene este de a exploata potențialul economiilor de energie și al surselor regenerabile. În Slovacia, cea mai promițătoare sursă de energie regenerabilă pare a fi biomasa. Utilizarea sa are o importanță tot mai mare. Cea mai comună formă de biomasă este lemnul, fie în bucăți, fie ca deșeuri de lemn. În timpul procesului de ardere a combustibililor regenerabili, poluanții sunt generați în atmosferă și au un impact negativ asupra sănătății umane. Cei mai monitorizați poluanți sunt particulele în suspensie, monoxidul de carbon, oxizii de azot și dioxidul de sulf .

emisiile emise în timpul arderii sunt constituite în principal din poluanți gazoși și particule. Scopul este de a reduce concentrația acestor substanțe la niveluri acceptabile, deoarece emisiile au o proporție semnificativă de poluare a aerului .

particulele solide sunt antrenate cu fluxul de gaze arse din camera de ardere a cazanului. Particulele (PM) constau din funingine, materie anorganică (cenușă) și materie organică (inflamabilă nevolatilă). Particulele sunt importate în gazele de ardere prin cenușă, nevolatilă și funingine combustibile.

formarea particulelor în timpul arderii combustibilului depinde de mulți factori, inclusiv temperatura flăcării, compoziția și concentrația reactanților de ardere și timpul de rezidență în zona de reacție . Deși formarea PM din combustie nu este pe deplin înțeleasă, se suspectează că procesul implică atât nucleație, cât și mecanisme de condensare .

dimensiunea particulelor formate în timpul arderii depinde de timpul petrecut în zonele de formare și oxidare. Dimensiunea unei particule de evacuare a biomasei se poate întinde pe un interval de la mai puțin de 0,01 centimili la mai mult de 100 centimili. Cu toate acestea, cea mai mare parte a aerosolului de ardere a biomasei este de obicei mai mică de 1 centimm în diametru .

astăzi este cea mai mare atenție acordată mărimii particulelor (diametrul aerodinamic) mai mic de 10 mm (PM10), care pot pătrunde în tractul respirator. Particulele acestei fracții sunt împărțite în două grupe bazate pe dimensiuni diferite, mecanismul, compoziția și comportamentul atmosferei.

primul grup este format din particule de dimensiuni sub 2,5 mm (fracție respirabilă fină—PM2,5), care rezultă din nuclearea reacțiilor chimice, condensarea emisiilor gazoase generate la suprafața particulelor sau coagularea celor mai fine particule.

cel de—al doilea grup a creat particule în intervalul dimensiunii de la 2,5 până la 10 MMC (fracție grosieră-PM2,5 până la 10).

cele mai fine particule cu un diametru mai mic de 2,5 mm (PM2,5) sunt considerate a provoca cele mai mari daune sănătății umane. Se depun adânc în plămâni și blochează reproducerea celulelor .

diferite tipuri de lemn au compoziție și proprietăți diferite, cum ar fi valoarea calorică și comportamentul de topire a cenușii de temperatură, care afectează foarte mult producția de PM.

în această lucrare, s-au efectuat măsurători experimentale și s-au concentrat pe formarea PM în timpul arderii diferitelor tipuri de dendromasă într-o mică sursă de căldură. Se evaluează, de asemenea, efectul diferitelor temperaturi ale aerului primar de ardere asupra parametrilor de emisie.

2. Măsurarea parametrilor de emisie

metodele de măsurare a emisiilor de poluanți pot fi împărțite în principiu în măsurarea particulelor și a substanțelor gazoase. Metodele și principiile de măsurare se bazează pe proprietățile de emisie ale mediului fluid. Una dintre metodele de măsurare a particulelor este prezentată mai jos.

Metoda Gravimetrică. Metoda gravimetrică este metoda unică manuală cu eșantionarea gazului de curgere prin sondă. Se bazează pe determinarea concentrațiilor mediane prin prelevarea de probe din mai multe puncte de măsurare în secțiune transversală și evaluarea gravimetrică ulterioară a acestora. Contaminanții solizi sunt de obicei separați de un filtru extern.

eșantionarea reprezentativă se realizează prin eșantionarea sondei de formă adecvată și viteza corectă în condiții izocinetice .

concentrația de particule în gazele de ardere este acoperită în condiții standard și poate fi determinată pentru gazele de ardere umede sau uscate. Volumul măsurat al eșantionului prelevat pe contorul de gaz de volum trebuie convertit în condiții standard, adică 101325 Pa presiune și temperatură de 273,15 K (0 CTC). Prin urmare, temperatura și presiunea eșantionului măsurat sunt măsurate înainte de contorul de gaz.

colectarea cumulată poate furniza în secțiunea transversală concentrația medie, dar nu și profilul de concentrație. Viteza de curgere sau debitul gazului eșantion se măsoară prin asigurarea condițiilor izocinetice, de exemplu, prin linia de deschidere și o cantitate totală colectată de gaz pe contor de gaz .

în metoda gravimetrică, prelevarea probelor reprezentative se realizează prin sondă cu formă adecvată chiar din gazul care curge .

pentru a îndeplini cerințele crescânde față de determinarea particulelor fine, sonda cu mai multe etape a fost utilizată în aceste experimente. Sistemul de separare a impactorului este destinat filtrării și separării emisiilor solide în elementul de lovire în trei trepte. Construcția dispozitivului permite separarea paralelă a elementelor solide PM 10 și PM 2,5 (Figura 1).

avantajul metodei gravimetrice este simplitatea și costurile relativ scăzute ale eșantionului.

3. Măsurare experimentală

ca sursă de căldură a fost utilizat semineu evaluat la 6 kW, care este proiectat pentru arderea lemnului bucată. Partea inferioară a camerei de ardere este acoperită cu grătar și recipientul în care cade cenușa. Accesul la camera de ardere se face prin ușile care sunt vitrate cu sticlă rezistentă la căldură.

3.1. Răcirea / încălzirea aerului de ardere

schimbarea temperaturii admisiei aerului de ardere a fost efectuată pe aerul de ardere primar. Schimbătoarele de căldură sunt conectate la conducta de alimentare cu aer primar pentru încălzirea/răcirea aerului de ardere. În acest fel este temperatura aerului de ardere primar de intrare încălzit/răcit la nivelul de temperatură dorit. Temperatura minimă a aerului de alimentare a fost de -5 centimetric C și a crescut treptat până la 40 centimetric C. Creșterea temperaturii între măsurători a fost de 5 centimetric C și a fost reglată de schimbătorul de căldură, care se află în spatele ventilatorului într-o conductă. Controlul temperaturii pentru schimbătorul de căldură a fost asigurat de termostatul circulator Julabo F40.

schema standului experimental pentru alimentarea cu aer de încălzire/răcire este prezentată în Figura 2.

pentru a evalua calitatea procesului de ardere, compoziția gazului a fost măsurată prin analizor.

3.2. Dendromass

în timpul experimentului, au fost testate și diferitele tipuri de lemn. Fiecare măsurare a durat 1 oră și a fost arsă la aproximativ 1,5 kg de combustibil. Pentru măsurătorile experimentale au fost utilizate următoarele tipuri de lemn enumerate în tabelul 1.

3.3. Poziția aerului secundar

modificările moderne permit o creștere a eficienței încălzirii și reducerea concentrației de emisii. Cantitatea de emisii poate fi afectată de mai mulți factori. Unul dintre factorii importanți este poziția aerului secundar de ardere.

sursa de căldură experimentală are următoarele intrări de aer:(i)primar (frontal)—flux de aer prin grătar și scrumieră către combustibil,(ii)secundar (înapoi)—proces care utilizează gaze combustibile reziduale care ar scăpa în mod normal prin coș. Există o creștere a eficienței și, prin urmare, un consum mai mic de combustibil, (iii)terțiar (top)—utilizat pentru suflarea parbrizului, prevenirea înfundării, contribuind, de asemenea, la îmbunătățirea procesului de ardere și la reducerea emisiilor. Semineu este proiectat pentru arderea lemnului bucată (a se vedea Figura 3).

în această sarcină, au fost investigate diferitele poziții ale intrării secundare a aerului. Scopul a fost de a evalua ori de câte ori locația de admisie a aerului are influență asupra formării de particule.

4. Rezultate și discuții

în timpul măsurătorilor s-au înregistrat concentrații ale următoarelor emisii: CO, CO2 și NO și particule în gazele de ardere.

4.1. Efectul temperaturii aerului asupra formării emisiilor

temperatura aerului de ardere primar furnizat șemineului a variat prin schimbarea temperaturii de reglare pe pompa de circulație frigorifică.

temperaturile diferite ale aerului primar de ardere au impact asupra formării emisiilor gazoase și a particulelor.

Figura 4 prezintă rezultatele măsurării dioxidului de carbon în funcție de temperatura setată a aerului primar de ardere.

cea mai mare medie de CO2 s-a înregistrat la 35 CTC de aer de admisie, în timp ce la 15 CTC de aer furnizat s-a înregistrat cea mai mică valoare medie de 3,20%. Formarea dioxidului de Carbon are o tendință de creștere odată cu creșterea temperaturii aerului primar de ardere.

Figura 5 prezintă rezultatele măsurării monoxidului de carbon.

cele mai mari valori medii au ajuns la 7193 mg·m−3 de CO și s−au înregistrat la 10 cmc aer de admisie, în timp ce la 30 cmc aer de alimentare a atins cea mai mică valoare medie de 5051 mg·m-3. Rezultatele indică faptul că formarea monoxidului de carbon are o tendință de scădere odată cu creșterea temperaturii aerului primar de ardere.

dependența formării de diferitele temperaturi ale aerului primar de ardere față de sursa de căldură experimentală arată Figura 6.

cele mai mari valori medii ale masuratorilor (111,65 mg·m−3) au fost atinse la 10 CTC, iar cele mai mici valori medii au fost masurate la 20 CTC cu o valoare de 80,16 mg·m−3. producția are o tendință de scădere odată cu creșterea temperaturii aerului primar de ardere.

rezultatele concentrației de PM în funcție de temperatura aerului de combustie primară sunt prezentate în figurile 7 și 8.

măsurarea particulelor cu o schimbare a temperaturii aerului de ardere a atins concentrația maximă de 202 mg·m−3. Concentrația minimă a emisiilor de PM a fost generată la 35 C de aer de combustie.

4.2. Diferite tipuri de Dendromass

a doua parte a lucrării se ocupă cu efectul diferitelor dendromass la formarea de particule solide. Generarea de emisii este influențată în mare măsură de tipul de combustibil care este ars în sursa de căldură. Fiecare combustibil are proprietăți și compoziție chimică diferite, ceea ce afectează în cele din urmă procesul de ardere, cantitatea de emisii reale și conținutul de cenușă. În timpul măsurătorilor experimentale au fost asigurate aceleași condiții de ardere, adică alimentarea uniformă a aerului primar, secundar și terțiar, aceeași presiune în Coș (12 Pa) și o doză maximă de 1,5 kg de combustibil.

măsurătorile particulelor au fost efectuate pe toate tipurile de lemn timp de 30 de minute. În acest timp au fost capturate PM la filtrele din fiecare probă. Acestea au fost ulterior dezbrăcate de umiditate și cântărite. Concentrațiile de particule au fost determinate de diferența de greutate a filtrului înainte și după măsurare. Cea mai mare cantitate de particule a fost observată la măsurătorile de mesteacăn alb cu scoarță și fag (Figura 9).

4.3. Poziții diferite ale aerului secundar

partea finală prezintă locația cea mai eficientă a orificiului de admisie a aerului secundar în raport cu formarea particulelor. A fost analizată influența a trei poziții de admisie a aerului.

în Figura 10 sunt prezentate valorile minime și maxime ale concentrațiilor măsurate de particule (PM). Măsurarea PM pentru tot aerul de ardere complet deschis a atins concentrația 21 mg * m-3. Concentrația minimă de PM a fost înregistrată cu implicarea ofertei secundare în al doilea rând, unde a fost măsurată doar 13,09 mg·m−3.

se poate concluziona că, în ceea ce privește PM, este avantajos să se furnizeze aerul de ardere prin al doilea rând.

5. Concluzie

scopul acestei lucrări a fost de a demonstra impactul temperaturii aerului de ardere primară asupra parametrilor emisiilor.

rezultatele prezentate ale emisiilor în funcție de temperatura aerului de ardere primară nu indică cea mai potrivită setare a temperaturii. Pentru fiecare tip de emisie s-a atins cea mai mică valoare la temperaturi diferite a aerului primar de ardere.

din măsurătorile experimentale ale emisiilor solide reiese clar că, în ceea ce privește valoarea cea mai scăzută a PM, se preferă alimentarea aerului primar de ardere în procesul de ardere la o temperatură de 35 C.

se poate argumenta că producția de monoxid de carbon (CO) scade odată cu creșterea temperaturii în detrimentul producției mai mari de dioxid de carbon (CO2). Formarea CO este influențată de mai mulți factori și, prin urmare, concentrația sa diferită în timpul măsurătorilor nu poate fi atribuită temperaturilor în schimbare ale aerului de ardere.

în această lucrare de cercetare a fost efectuată analiza impactului diferitelor tipuri de dendromasă asupra formării particulelor în timpul procesului de ardere. Rezultatele măsurătorilor indică faptul că tipul de combustibil are o influență considerabilă asupra procesului de ardere și asupra formării particulelor. Acest fenomen este influențat în mare măsură de diferitele proprietăți și compoziția chimică a diferitelor tipuri de dendromasă.

în cazul mesteacănului fără scoarță, s-au măsurat cele mai mici valori ale PM, sugerând că scoarța lemnului de foc are o proporție semnificativă asupra formării particulelor solide.

rezultatele măsurate arată că tipul de lemn de foc afectează parametrii de emisie ai sursei de căldură.

modelarea computerizată devine din ce în ce mai puternică și mai dezvoltată, câștigând astfel Popularitate. Este în curs de dezvoltare ca un instrument atractiv pentru a ajuta inginerul de ardere în domenii precum proiectarea de noi procese, extinderea instalației, modernizarea și controlul poluanților. Prin urmare, simularea numerică a formării particulelor se va face în cercetările viitoare.

Conflict de interese

nu există niciun conflict de interese în ceea ce privește publicarea acestei lucrări.

Aprecieri

Această lucrare a fost susținută de către VEGA nr. 1/1353/12 și sponsorizat în cadrul programului OPV-Podpora kvality vzdelávania o rozvoj l’udských zdrojov v oblasti technického výskumu o vývoja v priestore modernej vedomostnej spoločnosti ITMS 26110230117.