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

Il problema di Pechino: ridurre le sue emissioni di NOx (ossidi di azoto) dalle caldaie per la salute pubblica. Sono stati introdotti severi limiti alle emissioni di NOx delle caldaie per combattere lo smog a Pechino. Il dottor Gregory Zdaniuk, Joël Moreau e Lu Liu discutono dell'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 rapidissima crescita industriale della Cina ha portato a livelli significativi di inquinamento atmosferico, che ovviamente ha un impatto su la salute dei cinesi, nelle grandi città più in particolare 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 contro l'inquinamento atmosferico. Sta compiendo grandi sforzi per rimediare a questo problema, in particolare vietando nuovi impianti a carbone, limitando il traffico e applicando nuove tecnologie per migliorare la combustione e ridurre in particolare gli NOx. Il combustione a umido è una di quelle tecniche del futuro!

"Guerra allo smog": il comune 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 all'immatricolazione di auto nuove e al traffico giornaliero
Promozione della mobilità elettrica
Promozione di taxi alimentati a gas naturale (metano) e trasporto con GPL (propano-butano)
Sviluppo del car sharing e del 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 superiore (!!) agli 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 iniettando acqua o vapore nell'area della fiamma ; questo è ciò che Pechino usa e vuole sviluppare, utilizzando un sistema sviluppato in Europa negli ultimi 15 anni, in particolare sul lavoro di Rémi Guillet. I metodi di post-trattamento, ad esempio, il riduzione catalitica selettiva SCR o riduzione selettiva non catalitica - affronta le emissioni di NOx post-formazione. 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 su caldaie con una potenza inferiore a 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 di più che in Cina!

Oltre ai rigidi limiti legali, Pechino ha implementato 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 risparmiati. 1 caldaie a gas sono state modificate nel 500. Nel 2016, Pechino ha modificato l'equivalente di 2017 GW di potenza termica cumulativa della caldaia a gas, 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:

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La sfida per gli ingegneri è quindi quella di abbassare la temperatura della fiamma, mantenendo la stabilità della fiamma e l'efficienza della caldaia. Anche la sicurezza è fondamentale, soprattutto quando si tratta di EGR, a causa del rischio di esplosione del monossido di carbonio (CO) potenziale presente nei gas di scarico!

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

L'iniezione di acqua o vapore provoca la modifica della stechiometria (il rapporto quantitativo tra ossidante e ossidante) - e quindi della 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 notevolmente giallo-arancio. Se la temperatura della fiamma è sufficientemente ridotta, difficilmente si formeranno NOx e verrà mantenuta la prestazione termica della caldaia.

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 pompa del vapore acqueo (WVP, o Pompa acqua vapore, 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 del calore sensibile e latente dei gas di combustione. Per fare questo, due spruzzatori sono posti nel flusso d'aria: uno nella presa d'aria fresca e l'altro tra il condensatore e il camino, come mostrato in figura 2. Tutti i componenti sono realizzati in acciaio inossidabile e il bruciatore è predisposto per gestire l'aria di combustione satura di umidità. La geometria del bruciatore ad iniezione d'acqua non ha nulla a che fare con quella di un tipico bruciatore low NOx (una singola doppia parete)

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

Poiché il punto di rugiada dei gas di combustione che entrano nel condensatore è, ovviamente, aumentato (da ~ 58 ° C in caso di combustione regolare a ~ 68 ° C in caso di combustione a umido), molto più calore latente è recuperato nel condensatore. Questo è paragonato a una normale caldaia a condensazione funzionante alla stessa temperatura dell'acqua di mandata e di ritorno. Inoltre, il recupero di calore aggiuntivo che si verifica nella torre di nebulizzazione dei gas di scarico raffredda i fumi 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 di una normale caldaia a condensazione in funzione della temperatura di ritorno della condensazione. Dimostra che l'inizio della condensazione è spostato a una temperatura di ritorno più alta, rendendo il sistema PAVE un candidato ideale per applicazioni di retrofit dove non è facile ridurre la temperatura di ritorno dell'edificio (radiatori convenzionali ad alta temperatura)

Il sistema PAVE è caratterizzato da temperature di fiamma molto basse, quindi è in grado di ottenere produzioni di NOx molto basse. Il limite di 30 mg / Nm3 è facilmente raggiungibile a patto che l'aria comburente venga preriscaldata a 60 ° C e regolata ad una temperatura ottimale. D'altro canto, I bruciatori “a secco” a basso NOx e bassissimo NOx possono raggiungere livelli comparabili di emissioni di NOx solo utilizzando un'elevata percentuale di EGR e, potenzialmente, camere di combustione sovradimensionate.

In un sistema di combustione convenzionale (con aria atmosferica), l'abbassamento della temperatura della fiamma al di sotto di una certa temperatura può portare alla formazione di CO ma 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 né inclini a far abbassare la temperatura di combustione a causa di un eccessivo riciclo dell'acqua né a ridurre il tasso di O2 nell'ossidante con gli stessi mezzi: e il rischio di formazione di CO è eliminato a priori dal ciclo PAVE.

La riduzione della produzione di NOx e la riduzione del rischio di un pennacchio d'acqua che esce dal camino (tramite una minore umidità nei fumi) hanno le felici conseguenze: minor rischio di smog (che è nel caso della combustione di gas naturale il risultato della combinazione di pennacchio d'acqua + NOx) contemporaneamente alle prestazioni termiche del ciclo che sono massime ...

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Primo progetto di pompa a vapore acqueo in Cina da 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 di una normale caldaia a condensazione in funzione della temperatura di ritorno

Nel 2016, Beijing United Gas Engineering and Technology si è aggiudicata un contratto da un'università di Pechino per rinnovare il proprio locale caldaia. Ha comportato la modifica del locale caldaia a carbone e l'installazione di un nuovo sistema a gas. Si è deciso di installare il sistema PAVE in Cina per la prima volta.

Torre di spruzzatura sul lato del camino di una caldaia PAVE

Il sistema comprende due caldaie a gas a condensazione da 5,6 MW ciascuna per riscaldare il campus su una superficie riscaldante di circa 160 mq. L'impianto è stato dimensionato per una capacità di 000 m2 in previsione di futuri lavori di ampliamento. La rete di distribuzione del calore è predisposta per una temperatura di mandata e ritorno di 200000 ° C / 2 ° C. Tutte le unità terminali sono controllate da valvole a tre vie, che rendono variabile la temperatura di ritorno. Solo una delle 70 caldaie è attualmente dotata di PAVE, la seconda caldaia è dotata di un bruciatore standard a basse emissioni di NOx. Ciò consentirà di effettuare test comparativi nel tempo.

La messa in servizio è stata effettuata a marzo 2017, con emissioni di NOx testate a 23 mg / Nm3 (corrette al 3,5% di O2), ben al di sotto del limite di 30 mg / Nm3. L'efficienza complessiva della caldaia è stata del 107% - a una temperatura di ritorno di 45 ° C e le emissioni di CO sono state misurate a 0 mg / Nm3!

Un futuro luminoso per le caldaie a pompa di vapore ...

PAVE è una tecnologia di combustione in grado di raggiungere bassissime emissioni di NOx e rendimenti notevolmente elevati (109% su PCI) e minori costi di manutenzione rispetto alle tradizionali caldaie a condensazione. PAVE può essere installato su una caldaia esistente senza perdite significative di capacità, mentre i tipici retrofit di bruciatori a basso NOx possono ridurla significativamente. 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 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

Altro:
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2 commenti su “Inquinamento: combustione umida a Pechino per combattere SMOG, NOx e CO”

  1. Per informazione, un PAVE da 10 MW costruito da CIEC è in fase di installazione presso l'Università di Lovanio 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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