Inquinamento: combustione a umido a Pechino per combattere SMOG, NOx e CO


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Il problema di Pechino: ridurre le emissioni di NOx (ossidi di azoto) dalle caldaie per la salute pubblica. Sono stati introdotti limiti rigorosi alle emissioni di NOx delle caldaie per combattere lo smog a Pechino. Il dott. Gregory Zdaniuk, Joel Moreau e Lu Liu stanno esaminando l'uso di combustione a umido, argomento evocato da molto tempo su Econologie.com in particolare attraverso i lavori di Rémi Guillet chi pubblica le sue idee e lavora regolarmente.

Pechino soffre di inquinamento e cerca soluzioni

La rapida crescita industriale della Cina ha portato a livelli significativi di inquinamento atmosferico, che ovviamente ha un impatto la salute dei cinesi, nelle grandi città soprattutto e per molti anni! Le cause sono il traffico stradale, le industrie del carbone e il riscaldamento degli edifici. Il Comune di Pechino vuole migliorare la qualità dell'aria ed è in prima linea nella lotta all'inquinamento atmosferico. Sta facendo grandi sforzi per affrontare questo problema, tra cui il divieto di nuove installazioni di carbone, la limitazione del traffico e l'applicazione di nuove tecnologie per migliorare la combustione e ridurre in particolare i NOx. il combustione a umido è una di queste tecniche del futuro!

"Guerra allo smog": la Municipalità di Pechino ha introdotto una serie di misure di ricerca per combattere l'inquinamento atmosferico:

Un divieto di carbone per nuove installazioni
Ristrutturazione progressiva e obbligatoria degli impianti esistenti per il carbone
Restrizioni alla registrazione di nuove auto e al traffico giornaliero
Promozione della mobilità elettrica
Promozione di taxi alimentati a gas naturale (metano) e trasporto con GPL (propano-butano)
Sviluppo di car sharing e ciclismo
Limiti rigorosi per gli NOx nelle caldaie a gas nuove ed esistenti

Dal 1er April 2017, le strutture devono rispettare i limiti di NOx per le caldaie a gas nuove ed esistenti, che sono pari più elevati (!!) standard dell'Unione Europea. Il comune ha anche messo in atto incentivi per ridurre le emissioni di NOx dalle caldaie a gas; pertanto, le caldaie 1 500 sono state cambiate in 2016.

La riduzione di NOx nelle caldaie è possibile in iniettare acqua o vapore nella zona della fiamma ; questo è ciò che usa e vuole sviluppare Pechino, utilizzando un sistema sviluppato in Europa durante 15 negli ultimi anni, in particolare sul lavoro di Rémi Guillet. I metodi di post-trattamento, ad esempio, il riduzione catalitica selettiva SCR o riduzione non catalitica selettiva: trattare le emissioni di NOx dopo l'allenamento. Le tecniche di controllo della combustione prevengono la formazione di NOx.

I metodi di post-trattamento tendono ad essere più costosi e generalmente non vengono utilizzati sulle caldaie al di sotto di 10 MW.

Limiti rigorosi di NOx di Pechino per le caldaie

In conformità con lo standard degli inquinanti atmosferici per caldaie (DB11 / 139-2015), nuovi impianti e carbone a gas Limite di NOx di 30mg / Nm3 , mentre le installazioni esistenti hanno un limite di 80mg / Nm3. In confronto qui in Europa, il limite di NOx equivalente fissato dalla direttiva europea è 100 mg NOx / Nm3... è 3 volte più che in Cina!

Oltre ai rigorosi limiti legali, Pechino ha messo in atto un programma di incentivi economici per ridurre gli NOx per le caldaie a gas esistenti. I progetti di ristrutturazione vengono premiati in base alla quantità di NOx che risparmiano. Le caldaie a gas 1 500 sono state modificate su 2016. In 2017, Pechino ha modificato l'equivalente di 7 GW della potenza termica della caldaia a gas cumulativo, o circa la potenza termica dei reattori nucleari 2!

La formazione di NOx varia quasi esponenzialmente con la temperatura della fiamma. Il metodo principale per controllare NOx è ridurre la temperatura della fiamma. Questo può essere fatto in diversi modi:

La sfida per gli ingegneri è di abbassare la temperatura della fiamma mantenendo la stabilità della fiamma e l'efficienza della caldaia. La sicurezza è anche critica, specialmente quando si tratta di EGR, a causa del rischio di esplosione di monossido di carbonio (CO) potenziale presente nello scarico!

Il sistema di combustione ad umido di pompa del vapore acqueo (PAVE)

L'iniezione di acqua o vapore provoca la modifica della stechiometria (la relazione quantitativa tra ossidante e ossidato) - e quindi la temperatura della fiamma adiabatica - della miscela aria-carburante. L'aggiunta di acqua "disperde" anche le calorie generate dalla combustione. Entrambi i fenomeni provocano una diminuzione della temperatura di combustione - il colore della fiamma del gas logicamente blu diventa sostanzialmente arancione-giallo. Se la temperatura della fiamma è sufficientemente ridotta, gli NOx non si formeranno più e le prestazioni termiche della caldaia saranno preservate.

Fiamma di gas che brucia bagnato
Combustione a umido (metano)
Fiamma del gas di combustione secco
Combustione a secco (metano)

Figura 1: stesso bruciatore funzionante in modalità di combustione a umido (in alto) e in modalità a combustione secca (in basso)

Il sistema di pompaggio del vapore acqueo (WVP, o Pompa di vapore acqueo, PAVE) è un metodo di bruciatura a umido di Ph.D Rémi Guillet sviluppato e brevettato in 1979, della società CIEC con sede a Parigi e che fa parte del gruppo ENGIE da 2004. Consiste di a Preriscaldamento e saturazione dell'umidità dell'aria di combustione con recupero di calore sensibile e gas di combustione latenti. Per fare questo, nel flusso d'aria sono posizionati due spruzzatori: uno nell'ingresso aria esterna e l'altro tra il condensatore e il camino, come mostrato nella Figura 2. Tutti i componenti sono in acciaio inossidabile e il bruciatore è realizzato per gestire l'aria di combustione satura di umidità. La geometria del bruciatore ad iniezione d'acqua non ha nulla a che vedere con quella di un tipico bruciatore a basso NOx (una singola parete doppia)

Schema di una caldaia a combustione umida anti-NOx
Schema di una caldaia a combustione umida anti-NOx

Come punto di rugiada del gas di combustione entrante nel condensatore è, ovviamente, maggiore (~ 58 ° C nel caso di combustione normale ~ 68 ° C nel caso di combustione a umido) molto più calore latente è recuperato nel condensatore. Questo rispetto ad una normale caldaia a condensazione funzionante con le stesse temperature dell'acqua di avviamento e di ritorno. Inoltre, il recupero di calore aggiuntivo che si verifica nella torre di spruzzatura dei gas di scarico raffredda i gas di scarico a temperature molto più basse rispetto a una normale caldaia. Di conseguenza, il sistema PAVE è molto più efficiente di una normale caldaia a condensazione.

La figura 3 confronta l'efficienza del sistema di combustione PAVE e una caldaia a condensazione regolare in funzione della temperatura di ritorno della condensa. Essa mostra che l'inizio della condensazione viene spostato ad una temperatura maggiore ritorno, rendendo il sistema PAVE un candidato ideale per applicazioni di retrofit in cui non è facile per ridurre la temperatura di ritorno dell'edificio (high radiatore convenzionale temperatura)

Il sistema PAVE è caratterizzato da temperature di fiamma molto basse, quindi è in grado di ottenere una produzione di NOx molto bassa. Il limite di 30mg / Nm3 è facilmente raggiungibile finché l'aria di combustione viene preriscaldata a 60 ° C e impostata a una temperatura ottimale. D'altro canto, basso NOx e bassissimo NOx bruciatori "a secco" possono raggiungere livelli paragonabili di emissioni di NOx solo utilizzando un'alta percentuale di EGR e, potenzialmente, camere di combustione sovradimensionate.

In un sistema di combustione convenzionale (con aria atmosferica), la riduzione della temperatura della fiamma al di sotto di una certa temperatura può portare alla formazione di CO, ma questo non è il caso di una caldaia PAVE che brucia gas naturale quindi un combustibile che a priori accede facilmente alla sua completa combustione.

Inoltre, le prestazioni del ciclo PAVE non sono propense a ridurre la temperatura di combustione così bassa mediante un eccessivo riciclo dell'acqua né a ridurre il livello di O2 nell'ossidante con lo stesso metodo: e il rischio di formazione di CO è eliminato a priori dal ciclo PAVE.

La diminuzione della produzione di NOx e la riduzione del rischio di infiltrazioni di acqua nell'uscita del camino (attraverso un'umidità inferiore nei fumi) hanno le seguenti conseguenze positive: minor rischio di smog (che è nel caso della combustione di gas naturale il risultato del pennacchio combinato di acqua + NOx) allo stesso tempo delle prestazioni termiche del ciclo che sono al massimo ...



Il primo progetto cinese per pompe di vapore acqueo della CIEC

Durante gli ultimi anni 15, la compagnia ICCS ha implementato il sistema PAVE in diversi paesi europei, principalmente in Francia, ma anche in Germania e in Italia. Poiché i limiti di NOx sono meno severi in Europa, il sistema è installato come misura di risparmio energetico.

 

Combustione anti-NOx umida e secca comparativa
Figura 3: Efficienza sul PCI di una caldaia PAVE (WVP) e una caldaia a condensazione regolare in base alla temperatura di ritorno

In 2016, Beijing United Gas Engineering and Technology ha ottenuto un contratto da un'università di Pechino per rinnovare la sua caldaia. Ha comportato il cambiamento della caldaia a carbone e l'installazione di un nuovo sistema di gas. È stato deciso di creare il sistema PAVE in Cina per la prima volta.

Torretta a spruzzo sul lato del camino di una caldaia PAVE

Il sistema include due caldaie a gas a condensazione 5,6 MW ciascuna per riscaldare il campus sulla superficie di riscaldamento 160 000 m2. Il sistema è stato dimensionato per la capacità di 200000 m2 in previsione di futuri lavori di espansione. La rete di distribuzione del calore è progettata per una temperatura di mandata e ritorno di 70 ° C / 50 ° C. Tutte le unità terminali sono controllate da valvole a tre vie, che rendono variabile la temperatura di ritorno. Solo una delle caldaie 2 è equipaggiata per il momento in PAVE, la seconda caldaia è dotata di un bruciatore standard a bassa emissione di NOx. Ciò consentirà test comparativi nel tempo.

La messa, concluso nel marzo 2017, le emissioni di NOx in fase di sperimentazione 23 mg / Nm3 (3,5 corretta% di O2), ben al di sotto del limite di 30 mg / Nm3. L'efficienza complessiva della caldaia era 107% - a una temperatura di ritorno di 45 ° C e le emissioni di CO sono state misurate a 0 mg / Nm3!

Un futuro radioso per caldaie con pompe a vapore ...

PAVE è una tecnologia di combustione in grado di ottenere emissioni di NOx ultra-basse e rese notevolmente più elevate (109% su PCI) e costi di manutenzione inferiori rispetto alle caldaie a condensazione convenzionali. Il PAVE può essere installato su una caldaia esistente senza significativa perdita di capacità, mentre ristrutturazioni tipiche a partire bruciatore NOx può ridurre significativamente il. Di fronte a un grave problema di smog, Pechino è in prima linea nella lotta all'inquinamento atmosferico e queste azioni dovrebbero essere osservate dai responsabili politici di tutto il mondo ...

Abbiamo partecipato allo sviluppo di questo articolo:

Dr. Gregory Zdaniuk, Senior Director of Engineering, Engie China
Joël Moreau, vicedirettore generale dell'ICCS
Lu Liu, vice capo ingegnere di Buget

Traduzione di Christophe Martz, ingegnere e direttore editoriale di Econologie.com

Testo da questa fonte in inglese


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2 commenta "Inquinamento: combustione a umido a Pechino per combattere SMOG, NOx e CO"

  1. Per informazione, una PAV di XECUM MW costruita da CIEC viene installata presso l'Università di Leuven in Belgio.
    Sarà messo in servizio a marzo 2018.

  2. Ci sono alcune soluzioni per SMOG, NOx, CO2 e CO basate sulla tecnologia del ciclo Maisotsenko. M-Cycle è in grado di idratare l'aria fino a 30-50%. Inoltre, M-Cycle recupera il calore a bassa temperatura a 50 C con efficienza 98% (rapporto di GTI, Chicago). Maisotsenko Exergy Tower cattura CO2 dall'aria, dall'elettricità e dall'acqua potabile. Tutte le informazioni sono aperte e disponibili tramite la ricerca Google

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