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:
- Melhor distribuição de chama para reduzir os pontos quentes
- Altere a relação ar / combustível ou combustível e reduza o excesso de ar
- Adicionando o recirculação dos gases de combustão (EGR): a caldeira de óleo de chama azul
- Combustão em camadas (HCCi)
- Injetar água ou vapor durante a combustão
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.
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)
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.
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.
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
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.
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