utsläppskontroller med olika temperaturer av förbränningsluft

Abstrakt

ansträngningen för många tillverkare av värmekällor är att uppnå maximal effektivitet av energiomvandling kemiskt bunden i bränslet till värme. Därför är det nödvändigt att effektivisera förbränningsprocessen och minimera bildandet av utsläpp vid förbränning. Papperet presenterar en analys av förbränningsluftens temperatur till värmeprestanda och utsläppsparametrar för brinnande biomassa. I den andra delen av papperet utvärderas effekterna av olika dendromass på bildandet av utsläpp i liten värmekälla. De uppmätta resultaten visar att regleringen av förbränningsluftens temperatur påverkar koncentrationen av utsläpp från förbränning av biomassa.

1. Inledning

Europeiska unionens huvudsakliga avsikt är att utnyttja potentialen för energibesparingar och förnybara källor. I Slovakien verkar den mest lovande förnybara energikällan vara biomassa. Dess användning har växande betydelse. Den vanligaste formen av biomassa är trä, antingen i bitar eller som träavfall. Under förbränningsprocessen av förnybara bränslen föroreningar genereras i atmosfären och har en negativ inverkan på människors hälsa. De mest övervakade föroreningarna är partiklar, kolmonoxid, kväveoxider och svaveldioxid .

utsläpp som emitteras vid förbränning består huvudsakligen av gasformiga och partikelformiga föroreningar. Syftet är att minska koncentrationen av dessa ämnen till acceptabla nivåer, eftersom utsläppen har en betydande andel luftföroreningar .

de fasta partiklarna förs in med rökgasström från pannans förbränningskammare. Partiklar (PM) består av sot, oorganiskt material (aska) och organiskt material (icke-flyktigt brandfarligt). Partiklar importeras till rökgasen med aska, icke-flyktig och brännbar sot.

partikelbildning under bränsleförbränning beror på många faktorer, inklusive flamtemperatur, sammansättning och koncentration av förbränningsreaktanter och uppehållstid inom reaktionszonen . Även om PM-bildning från förbränning inte är fullständigt förstådd, misstänks det att processen involverar både kärnbildning och kondensationsmekanismer .

storleken på partiklar som bildas vid förbränning är beroende av tiden i Formations-och oxidationszonerna. Storleken på en avgaspartikel från biomassa kan sträcka sig från mindre än 0,01 till mer än 100. Emellertid är majoriteten av biomassaförbränning aerosol typiskt mindre än 1 kg i diameter .

idag är den största uppmärksamhet ägnas åt storleken av partiklar (aerodynamisk diameter) mindre än 10 oc (PM10), som kan tränga in i luftvägarna. Partiklar av denna fraktion är indelade i två grupper baserat på olika storlekar, mekanismen, sammansättningen och beteendet hos atmosfären.

den första gruppen består av partiklar med en storlek under 2,5 kg (fin andningsbar fraktion—PM2,5), som härrör från kemiska reaktioner kärnbildning, kondensation av gasformiga utsläpp som genereras vid partikelytan eller koagulering av de finaste partiklarna.

den andra gruppen skapade partiklar i storleksintervallet från 2,5 till 10 oc (grov fraktion—PM2,5 till 10).

finaste partiklar med en diameter under 2,5 oc (PM2,5) anses orsaka störst skada för människors hälsa. De deponerar djupt i lungorna och blockerar reproduktionen av celler .

olika typer av trä har olika sammansättning och egenskaper såsom värmevärde och asksmältningsbeteende hos temperaturen, vilket i hög grad påverkar produktionen av PM.

i detta arbete utfördes experimentella mätningar och fokuserade på bildandet av PM vid förbränning av olika typer av dendromass i en liten värmekälla. Effekten av olika temperaturer hos den primära förbränningsluften till utsläppsparametrarna utvärderas också.

2. Mätning av Utsläppsparametrar

metoder för mätning av utsläpp av föroreningar kan i princip delas in i mätning av partiklar och gasformiga ämnen. Metoder och mätprinciper baseras på emissionsegenskaperna hos fluidmediet. En av metoderna för mätning av partikelformiga ämnen presenteras nedan.

Gravimetrisk Metod. Gravimetrisk metod är den manuella enda metoden med provtagning av flödesgasen med sond. Den baseras på bestämning av mediankoncentrationerna genom provtagning från flera mätpunkter tvärsnitt och deras efterföljande gravimetrisk bedömning. Fasta föroreningar separeras vanligtvis av ett externt filter.

representativ provtagning utförs genom provtagningssond lämplig form och rätt hastighet under isokinetiskt tillstånd .

koncentrationen av partiklar i rökgasen omfattas av normala förhållanden och kan bestämmas för våt eller torr rökgas. Uppmätt volym av provet tas på volymen gasmätaren bör omvandlas till standardvillkor, det vill säga, 101325 Pa tryck och temperatur på 273,15 K (0 msk C). Därför mäts temperaturen och trycket på det uppmätta provet före gasmätaren.

den kumulativa samlingen kan ge i tvärsnittet genomsnittlig koncentration men inte koncentrationsprofil. Flödeshastighet eller flöde av provgasen mäts genom att säkerställa isokinetiska förhållanden, till exempel genom bländarspår och en total uppsamlad mängd gas per gasmätare .

i gravimetrisk metod realiseras tagandet av representativa prover med sond med lämplig form direkt från den flytande gasen .

för att uppfylla de ökande kraven mot finpartikelbestämningen användes flerstegsproppssonden i dessa experiment. Impactor separation system är avsett att filtrera och separera fasta utsläpp i trestegs impactor. Konstruktionen av anordningen möjliggör parallell separation av fasta element PM 10 och PM 2,5 (Figur 1).

fördelen med den gravimetriska metoden är dess enkelhet och de relativt låga samplerkostnaderna.

3. Experimentell mätning

som värmekälla användes öppen spis med en effekt på 6 kW, som är avsedd för förbränning av bit trä. Botten av förbränningskammaren är toppad med galler och behållaren där askan faller. Tillgång till förbränningskammaren är genom dörrarna som är glaserade med högt värmebeständigt glas.

3.1. Kylning / uppvärmning av förbränningsluft

ändring av temperaturen på förbränningsluftinloppet utfördes på den primära förbränningsluften. Värmeväxlarna är anslutna till rör av primär lufttillförsel för uppvärmning/kylning av förbränningsluft. På detta sätt är temperaturen hos den inkommande primära förbränningsluften uppvärmd/kyld till önskad temperaturnivå. Den minimala tilluftstemperaturen var -5 C och steg gradvis upp till 40 C C. temperaturökningen mellan mätningarna var 5 c c och reglerades av värmeväxlaren, som ligger bakom fläkten i en kanal. Temperaturreglering för värmeväxlaren säkerställdes genom cirkulationstermostat Julabo F40.

schemat för experimentellt stativ för värme/kyllufttillförsel visas i Figur 2.

för att utvärdera kvaliteten på förbränningsprocessen mättes gaskompositionen med analysator.

3.2. Dendromass

under experimentet testades också de olika träslagen. Varje mätning varade 1 timme och brändes till ca 1,5 kg bränsle. För de experimentella mätningarna användes följande träslag som anges i Tabell 1.

3.3. Placering av sekundärluft

moderna modifieringar möjliggör en ökning av uppvärmningseffektiviteten och minskning av utsläppskoncentrationen. Mängden utsläpp kan påverkas av flera faktorer. En av de viktiga faktorerna är positionen för sekundär förbränningsluft.

den experimentella Värmekällan har följande luftinlopp:(i)primär (frontal)—luftflöde genom gallret och askkoppen mot bränsle,(ii)sekundär (tillbaka)—process med användning av kvarvarande brännbara gaser som normalt skulle komma ut genom skorstenen. Det finns en ökad effektivitet och därmed lägre bränsleförbrukning,(iii)tertiär (topp)—används för att blåsa av vindrutan, förhindra igensättning, också bidra till förbättring av förbränningsprocessen och minska utsläppen. Öppen spis är avsedd för förbränning av träbit (se Figur 3).

i denna uppgift undersöktes de olika positionerna för sekundärt luftintag. Syftet var att utvärdera när platsen för luftinloppet påverkar bildandet av partiklar.

4. Resultat och diskussion

under mätningarna registrerades koncentrationer av följande utsläpp: CO, CO2 och NO och partikelformiga ämnen i rökgasen.

4.1. Effekt av lufttemperatur på Emissionsbildning

temperaturen på den primära förbränningsluften som tillförs eldstaden varierade genom att ändra inställningstemperaturen på kylcirkulatorn.

olika temperaturer i primärförbränningsluften påverkar bildandet av gasformiga utsläpp och partiklar.

Figur 4 visar resultaten av mätningen av koldioxid enligt den inställda temperaturen för den primära förbränningsluften.

den högsta genomsnittliga CO2 registrerades vid 35 CCB inloppsluften, medan vid 15 CCB tillförd luft registrerades det lägsta medelvärdet på 3,20%. Koldioxidbildning har en trend att öka med ökande temperatur på primärförbränningsluften.

Figur 5 visar resultaten av mätningen av kolmonoxid.

de högsta medelvärdena nådde 7193 mg * m – 3 av CO och registrerades vid 10 kg c Inloppsluft, medan vid 30 kg c tilluft nådde det lägsta medelvärdet av 5051 mg·m−3. Resultaten indikerar att bildandet av kolmonoxid har en trend att minska med ökande temperatur på primärförbränningsluften.

beroende av bildning på de olika temperaturerna i den primära förbränningsluften till den experimentella Värmekällan visar Figur 6.

de högsta medelvärdena för de uppmätta (111,65 mg·m−3) uppnåddes vid 10 CCG, och de lägsta medelvärdena mättes vid 20 CCG med ett värde av 80,16 mg·m−3. produktionen har en trend att minska med ökande temperatur på primärförbränningsluften.

resultaten av PM-koncentrationen beroende på temperaturen i primärförbränningsluften visas i figurerna 7 och 8.

mätning av partiklar med en förändring av temperaturen i förbränningsluften har nått den maximala koncentrationen av 202 mg·m−3. Minsta koncentration av PM-utsläpp genererades vid 35 kcal C förbränningsluft.

4.2. Olika typer av Dendromass

den andra delen av arbetet handlar om effekten av olika dendromass till bildning av fasta partiklar. Generering av utsläpp påverkas till stor del av typ av bränsle som bränns i värmekälla. Varje bränsle har olika egenskaper och kemisk sammansättning, vilket i slutändan påverkar förbränningsprocessen, mängden faktiska utsläpp och askinnehåll. Under de experimentella mätningarna säkrades samma förbränningsförhållanden, det vill säga enhetlig tillförsel av primär, sekundär och tertiär luft, samma tryck i skorstenen (12 Pa) och en maximal dos på 1,5 kg bränsle.

Partikelmätningar utfördes på alla träslag i 30 minuter. Under denna tid fångades PM till filtren från varje prov. Dessa avlägsnades därefter av fukt och vägdes. Koncentrationer av partiklar bestämdes av skillnaden vikt av filtret före och efter mätningen. Den högsta mängden partiklar observerades i mätningar av vit Björk med bark och bok (Figur 9).

4.3. Olika positioner för sekundärluft

den sista delen presenterar den mest effektiva placeringen av sekundärluftinloppet i förhållande till bildandet av partikelformiga ämnen. Påverkan av tre luftinloppspositioner analyserades.

i Figur 10 visas minimala och maximala värden för uppmätta partikelhalter (PM). Mätning av PM för all helt öppen förbränningsluft nådde koncentration 21 mg * m-3. Minsta koncentration av PM registrerades med inblandning av sekundär tillförsel i den andra raden, där endast 13,09 mg·m−3 mättes.

man kan dra slutsatsen att när det gäller PM är det fördelaktigt att tillföra förbränningsluften genom andra raden.

5. Slutsats

syftet med detta arbete var att demonstrera effekten av den primära förbränningslufttemperaturen på utsläppsparametrar.

presenterade resultat av utsläpp beroende på temperaturen i primärförbränningsluften indikerar inte den lämpligaste temperaturinställningen. För varje typ av utsläpp har det lägsta värdet vid olika temperaturer i primärförbränningsluften uppnåtts.

från de experimentella mätningarna av fasta utsläpp är det uppenbart att när det gäller det lägsta värdet av PM är det föredraget att tillföra den primära förbränningsluften i förbränningsprocessen vid en temperatur av 35 C. C.

det kan hävdas att produktionen av kolmonoxid (CO) minskar med ökande temperatur på bekostnad av högre produktion av koldioxid (CO2). Bildandet av CO påverkas av flera faktorer och därför kan dess olika koncentration under mätningarna inte hänföras till förändrade temperaturer i förbränningsluften.

i detta forskningsarbete genomfördes analys av effekterna av olika typer av dendromass på bildandet av partikelformiga ämnen under förbränningsprocessen. Resultaten av mätningar indikerar att typen av bränsle har ett betydande inflytande på förbränningsprocessen och bildandet av partikelformiga ämnen. Detta fenomen påverkas till stor del av de olika egenskaperna och kemiska sammansättningen av olika typer av dendromass.

när det gäller björk utan bark mättes de lägsta värdena för PM, vilket tyder på att barken av ved har en betydande andel på bildandet av fasta partiklar.

de uppmätta resultaten visar att typen av ved påverkar värmekällans emissionsparametrar.

datormodellering blir mer kraftfull och utvecklad, därför ökar i popularitet. Det framstår som ett attraktivt verktyg för att hjälpa förbränningsingenjören inom områden som ny processdesign, anläggningsskalning, eftermontering och föroreningskontroll. Därför kommer den numeriska simuleringen av partikelbildning att ske i framtida forskning.

intressekonflikt

det finns ingen intressekonflikt när det gäller publiceringen av detta dokument.

Erkännanden

Detta arbete fick stöd av VEGA nr. 1/1353/12 och sponsrade inom ramen för programmet OPV-Podpora kvality vzdelávania en rozvoj l’udských zdrojov v oblasti technického výskumu en vývoja v priestore modernej vedomostnej spoločnosti ITMS 26110230117.