Poluição: combustão úmida em Pequim para lutar contra SMOG, NOx e CO

O problema de Pequim: reduzir as emissões de NOx (óxidos de nitrogênio) das caldeiras para a saúde pública. Limites estritos sobre as emissões de NOx das caldeiras foram introduzidos para combater a poluição em Pequim. O Dr. Gregory Zdaniuk, Joël Moreau e Lu Liu discutem o uso de combustão molhada, assunto evocado por um longo tempo no Econologie.com em particular através dos trabalhos de Rémi Guillet que publica suas idéias e trabalha regularmente.

Pequim sofre com poluição e busca soluções

O crescimento industrial muito rápido da China levou a níveis significativos de poluição do ar, o que obviamente tem um impacto sobre a saúde dos chineses, nas grandes cidades mais particularmente e por muitos anos! As causas são o tráfego rodoviário, as indústrias de carvão e o aquecimento de edifícios. O município de Pequim quer melhorar a qualidade do ar e está na vanguarda da luta contra a poluição do ar. Está a envidar grandes esforços para remediar esta situação, nomeadamente proibindo novas instalações alimentadas a carvão, limitando o tráfego e aplicando novas tecnologias para melhorar a combustão e reduzir os NOx em particular. o combustão molhada é uma daquelas técnicas do futuro!

"War on Smog": o município de Pequim introduziu uma série de medidas de pesquisa para combater a poluição do ar:

Proibição do carvão para novas instalações
Renovação progressiva e obrigatória das instalações de carvão existentes
Restrições no registro de novos carros e tráfego diário
Promoção da mobilidade elétrica
Promoção de táxis movidos a gás natural (metano) e transporte de GLP (propano-butano)
Desenvolvimento de compartilhamento de carros e ciclismo
Limites rigorosos para o NOx em caldeiras a gás novas e existentes

Desde o 1er April 2017, as instalações devem atender aos limites de NOx para caldeiras a gás novas e existentes, que são superior (!!) aos padrões da União Europeia. O município também implementou incentivos para reduzir as emissões de NOx das caldeiras a gás; Portanto, as caldeiras 1 500 foram alteradas para 2016.

A redução de NOx em caldeiras é possível em injetar água ou vapor na área da chama ; é isso que Pequim usa e quer desenvolver, usando um sistema desenvolvido na Europa nos últimos 15 anos, principalmente no trabalho de Rémi Guillet. Métodos pós-tratamento, por exemplo, o SCR de redução catalítica seletiva ou redução não catalítica seletiva - trata das emissões de NOx pós-formação. As técnicas de controle de combustão evitam a formação de NOx.

Os métodos de pós-tratamento tendem a ser mais caros e geralmente não são usados ​​em caldeiras com uma potência abaixo de 10 MW.

Limites restritos de NOx em Pequim para caldeiras

De acordo com o Padrão de Liberação de Poluentes do Ar para Caldeiras (DB11 / 139-2015), novas instalações e de carvão para gás Limite de NOx de 30mg / Nm3 , enquanto as instalações existentes têm um limite de 80mg / Nm3. Em comparação aqui na Europa, o limite equivalente de NOx estabelecido pela Diretiva Europeia é 100 mg NOx / Nm3… Isso é 3 vezes mais do que na China!

Além dos rígidos limites legais, Pequim implementou um programa de incentivo econômico para reduzir o NOx nas caldeiras a gás existentes. Os projetos de reforma são recompensados ​​com base na quantidade de NOx que economizam. 1 caldeiras a gás foram modificadas em 500. Em 2016, Pequim modificou o equivalente a 2017 GW de energia térmica cumulativa da caldeira a gás, ou aproximadamente a potência térmica dos reatores nucleares 2!

A formação de NOx varia quase exponencialmente com a temperatura da chama. O principal método para controlar o NOx é reduzir a temperatura da chama. Isso pode ser feito de várias maneiras:

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O desafio para os engenheiros é, portanto, diminuir a temperatura da chama, mantendo a estabilidade da chama e a eficiência da caldeira. A segurança também é crítica, especialmente quando se trata de EGR, devido ao risco de explosão de monóxido de carbono (CO) potencial presente nos gases de escape!

O sistema de combustão úmida bomba de vapor de água (PAVE)

A injeção de água ou vapor provoca a modificação da estequiometria (relação quantitativa entre oxidante e oxidante) - e, portanto, da temperatura da chama adiabática - da mistura ar-combustível. Adicionar água também “dispersa” as calorias geradas pela combustão. Ambos os fenômenos causam uma diminuição na temperatura de combustão - a cor da chama do gás, logicamente azul, torna-se visivelmente amarelo-laranja. Se a temperatura da chama for suficientemente reduzida, dificilmente se formará NOx e o desempenho térmico da caldeira será mantido.

Chama de gás queimando molhado
Combustão úmida (metano)
Chama do gás de combustão seco
Combustão seca (metano)

Figura 1: Mesmo queimador operando em modo de combustão úmida (superior) e modo de combustão a seco (inferior)

O sistema de bomba de vapor d'água (WVP, ou Bomba de vapor de água, PAVE) é um método de queimada molhada de Ph.D Rémi Guillet desenvolvido e patenteado na 1979, da empresa CIEC com sede em Paris e que faz parte do grupo ENGIE desde a 2004. Consiste em um pré-aquecimento e saturação de umidade do ar de combustão com recuperação do calor sensível e latente dos gases de combustão. Para isso, dois pulverizadores são colocados no fluxo de ar: um na entrada de ar fresco e outro entre o condensador e a chaminé, conforme mostrado na figura 2. Todos os componentes são feitos de aço inoxidável e o queimador é projetado para lidar com o ar de combustão saturado de umidade. A geometria do queimador de injeção de água não tem nada a ver com a de um queimador de baixo NOx típico (uma única parede dupla)

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Diagrama de uma caldeira de combustão úmida anti-NOx
Diagrama de uma caldeira de combustão úmida anti-NOx

À medida que o ponto de orvalho dos gases de combustão que entram no condensador é, naturalmente, aumentado (de ~ 58 ° C no caso de combustão regular para ~ 68 ° C no caso de combustão úmida), muito mais calor latente é recuperado no condensador. Isso é comparado a uma caldeira de condensação comum operando com o mesmo fluxo e temperatura de retorno da água. Além disso, a recuperação adicional de calor que ocorre na torre de pulverização de exaustão resfria os gases de combustão a temperaturas muito mais baixas em comparação com uma caldeira normal. Como resultado, o sistema PAVE é muito mais eficiente do que uma caldeira de condensação comum.

A Figura 3 compara a eficiência do sistema de combustão PAVE e uma caldeira de condensação normal em função da temperatura de retorno de condensação. Ele mostra que o início da condensação é deslocado para uma temperatura de retorno mais alta, tornando o sistema PAVE um candidato ideal para aplicações de retrofit onde não é fácil reduzir a temperatura de retorno do edifício (radiador convencional em alta temperatura)

O sistema PAVE é caracterizado por temperaturas de chama muito baixas, por isso é capaz de atingir produções de NOx muito baixas. O limite de 30mg / Nm3 é facilmente alcançado, desde que o ar de combustão seja pré-aquecido a 60 ° C e ajustado para uma temperatura ideal. Por outro lado, Os queimadores "secos" de baixo NOx e muito baixo NOx só podem atingir níveis comparáveis ​​de emissões de NOx usando uma alta proporção de EGR e, potencialmente, câmaras de combustão superdimensionadas.

Em um sistema de combustão convencional (com ar atmosférico), reduzir a temperatura da chama abaixo de uma determinada temperatura pode levar à formação de CO, mas este não é o caso de uma caldeira PAVE que queima gás natural, portanto, um combustível que a priori acessa facilmente sua combustão completa.

Além disso, os desempenhos do ciclo PAVE não são propensos a fazer a temperatura de combustão cair tão baixo devido à reciclagem de muita água, nem mesmo a reduzir a taxa de O2 no oxidante pelos mesmos meios: e o risco de formação de CO é eliminado a priori pelo ciclo PAVE.

A redução na produção de NOx e a redução do risco de uma pluma de água sair da chaminé (via menos umidade nos fumos) têm as conseqüências felizes: menos risco de smog (que é o caso da combustão de gás natural o resultado da combinação da pluma de água + NOx) ao mesmo tempo que os desempenhos térmicos do ciclo que são máximos ...

Primeiro projeto de bomba de vapor d'água na China pelo CIEC

Durante os últimos anos da 15, a empresa ICCS implantou o sistema PAVE em vários países europeus, principalmente na França, mas também na Alemanha e na Itália. Como os limites de NOx são menos rigorosos na Europa, o sistema é instalado medida de economia de energia.

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Combustão úmida e seca comparativa anti-NOx
Figura 3: Eficiência sob PCI de uma caldeira PAVE (WVP) e uma caldeira de condensação regular em função da temperatura de retorno

Em 2016, a Beijing United Gas Engineering and Technology recebeu um contrato de uma universidade de Pequim para renovar sua sala de caldeiras. Isso envolveu a mudança da sala da caldeira a carvão e a instalação de um novo sistema de gás. Foi decidido instalar o sistema PAVE na China pela primeira vez.

Torre de pulverização no lado da chaminé de uma caldeira PAVE

O sistema inclui duas caldeiras a gás de condensação de 5,6 MW cada para aquecer o campus em aproximadamente 160 m000 de superfície de aquecimento. O sistema foi dimensionado para uma capacidade de 2 m200000 em antecipação a futuras obras de expansão. A rede de distribuição de calor é projetada para uma temperatura de fluxo e retorno de 2 ° C / 70 ° C. Todas as unidades terminais são controladas por válvulas de três vias, o que torna a temperatura de retorno variável. Atualmente, apenas uma das 50 caldeiras está equipada com PAVE, a segunda caldeira está equipada com um queimador padrão de baixo NOx. Isso permitirá que testes comparativos sejam realizados ao longo do tempo.

O comissionamento foi feito em março de 2017, com emissões de NOx testadas em 23 mg / Nm3 (corrigido para 3,5% O2), bem abaixo do limite de 30 mg / Nm3. A eficiência geral da caldeira foi de 107% - a uma temperatura de retorno de 45 ° C e as emissões de CO foram medidas a 0 mg / Nm3!

Um futuro brilhante para as caldeiras com bomba de vapor ...

PAVE é uma tecnologia de combustão capaz de atingir emissões de NOx ultrabaixas e eficiências consideravelmente altas (109% em PCI) e custos de manutenção mais baixos do que as caldeiras de condensação convencionais. O PAVE pode ser instalado em uma caldeira existente sem perda significativa de capacidade, enquanto os retrofits típicos de queimadores de baixo NOx podem reduzi-la significativamente. Diante de um sério problema de poluição atmosférica, Pequim está na vanguarda da luta contra a poluição do ar e essas ações devem ser observadas por legisladores em todo o mundo ...

Participamos do desenvolvimento deste artigo:

Dr. Gregory Zdaniuk, Diretor Sênior de Engenharia, Engie China
Joël Moreau, Diretor Geral Adjunto do ICCS
Lu Liu, engenheiro-chefe adjunto do Buget

Tradução por Christophe Martz, engenheiro e gerente editorial da Econologie.com

Texto desta fonte em inglês

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2 comentários sobre “Poluição: combustão úmida em Pequim para lutar contra SMOG, NOx e CO”

  1. Para informação, uma PAVE de 10 MW construída pelo CIEC está a ser instalada na Universidade de Louvain, na Bélgica.
    Ele será colocado em operação durante o mês de março 2018.

  2. Existem algumas soluções para SMOG, NOx, CO2 e CO baseadas na tecnologia de ciclo Maisotsenko. O M-Cycle é capaz de hidratar o ar até 30-50%. Além disso, o M-Cycle recupera calor de baixa temperatura em 50 C com 98% de eficiência (relatório da GTI, Chicago). Maisotsenko Exergy Tower captura CO2 de ar e eletricidade e água potável. Toda a informação está disponível através da pesquisa do Google

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