Contaminación: combustión húmeda en Beijing para luchar contra SMOG, NOx y CO

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Problema de Beijing: reducir sus emisiones de NOx (óxidos de nitrógeno) de las calderas para la salud pública. Se introdujeron límites estrictos a las emisiones de NOx de las calderas para combatir el smog en Beijing. El Dr. Gregory Zdaniuk, Joel Moreau y Lu Liu están estudiando el uso de combustión húmeda, tema evocado durante mucho tiempo en Econologie.com en particular a través de los trabajos de Rémi Guillet quien publica sus ideas y trabaja regularmente.

Beijing sufre de contaminación y busca soluciones

El crecimiento industrial muy rápido de China ha llevado a niveles significativos de contaminación del aire, lo que por supuesto tiene un impacto en la salud de los chinos, en las grandes ciudades especialmente y por muchos años! Las causas son el tráfico por carretera, las industrias del carbón y la calefacción de edificios. El Municipio de Beijing quiere mejorar la calidad del aire y está a la vanguardia de la lucha contra la contaminación del aire. Está haciendo grandes esfuerzos para abordar esto, incluida la prohibición de nuevas instalaciones de carbón, la limitación del tráfico y la aplicación de nuevas tecnologías para mejorar la combustión y reducir los NOx en particular. la combustión húmeda es una de estas técnicas del futuro!

"Guerra contra el smog": el Municipio de Beijing ha introducido una serie de medidas de investigación para luchar contra la contaminación del aire:

Una prohibición de carbón para nuevas instalaciones
Renovación progresiva y obligatoria de las instalaciones de carbón existentes
Restricciones en el registro de automóviles nuevos y en el tráfico diario
Promoción de la movilidad eléctrica
Promoción de taxis propulsados ​​por gas natural (metano) y transporte por GLP (propano-butano)
Desarrollo de carsharing y ciclismo
Límites estrictos para NOx en calderas de gas nuevas y existentes

Desde el 1er April 2017, las instalaciones deben cumplir con los límites de NOx para las calderas de gas nuevas y existentes, que son uniformes. niveles más altos (!!) de la Unión Europea. El municipio también ha establecido incentivos para reducir las emisiones de NOx de las calderas de gas; por lo tanto, las calderas 1 500 se han cambiado a 2016.

La reducción de NOx en las calderas es posible en inyectar agua o vapor en la zona de llama ; esto es lo que usa y quiere desarrollar Beijing, utilizando un sistema desarrollado en Europa durante 15 los últimos años, especialmente en el trabajo de Rémi Guillet. Los métodos postratamiento, por ejemplo, el selectivo de reducción catalítica SCR o reducción no catalítica selectiva: tratar las emisiones de NOx después del entrenamiento. Las técnicas de control de la combustión evitan la formación de NOx.

Los métodos posteriores al tratamiento tienden a ser más caros y, en general, no se utilizan en calderas por debajo de 10 MW.

Los estrictos límites de NOx de Pekín para las calderas

A continuación, el estándar en la descarga de contaminantes de aire para calderas (DB11 / 139-2015), nuevas instalaciones y gases de combustión de carbón ahora deben cumplir con una Límite de NOx de 30mg / Nm3 , mientras que las instalaciones existentes tienen un límite de 80mg / Nm3. En comparación aquí en Europa, el límite equivalente de NOx establecido por la Directiva Europea es 100 mg NOx / Nm3... ¡es 3 veces más que en China!

Además de los estrictos límites legales, Beijing ha puesto en marcha un programa de incentivos económicos para reducir el NOx de las calderas de gas existentes. Los proyectos de renovación se recompensan de acuerdo con la cantidad de NOx que guardan. Las calderas de gas 1 500 se han modificado para 2016. En 2017, Beijing ha modificado el equivalente de 7 GW de la potencia térmica acumulada de la caldera de gas, o aproximadamente ¡la potencia térmica de los reactores nucleares 2!

La formación de NOx varía casi exponencialmente con la temperatura de la llama. El principal método para controlar NOx es reducir la temperatura de la llama. Esto se puede hacer de varias maneras:

El desafío para los ingenieros es reducir la temperatura de la llama mientras se mantiene la estabilidad de la llama y la eficiencia de la caldera. La seguridad también es fundamental, especialmente cuando se trata de EGR, debido a la riesgo de explosión del monóxido de carbono (CO) potencial presente en el escape!

El sistema de combustión húmeda por bomba de vapor de agua (PAVE)

La inyección de agua o vapor causa la modificación de la estequiometría (la relación cuantitativa entre oxidante y oxidado) y, por lo tanto, la temperatura de la llama adiabática de la mezcla de aire y combustible. La adición de agua también "dispersa" las calorías generadas por la combustión. Ambos fenómenos causan una disminución en la temperatura de combustión: el color de la llama de gas lógicamente azul se vuelve sustancialmente amarillo anaranjado. Si la temperatura de la llama es suficientemente reducida, el NOx casi no se formará y se conservará el rendimiento térmico de la caldera.

Llama de gas ardiendo mojado
Combustión húmeda (metano)
Llama de gas de combustión seca
Combustión seca (metano)

Figura 1: el mismo quemador funciona en modo de combustión húmeda (arriba) y en modo de combustión seca (abajo)

El sistema de bomba de vapor de agua (WVP, o Bomba de vapor de agua, PAVE) es un método de quemadura húmeda de Ph.D. Rémi Guillet desarrollado y patentado en 1979, de la empresa CIEC con sede en París y que ha formado parte del grupo ENGIE desde 2004. Consiste en un precalentamiento y saturación de humedad del aire de combustión con recuperación del calor sensible y latente de los gases de combustión. Para hacer esto, dos pulverizadores se colocan en el flujo de aire: uno en la entrada de aire fresco y el otro entre el condensador y la chimenea, como se muestra en la Figura 2. Todos los componentes son de acero inoxidable y el quemador está hecho para manejar aire de combustión saturado con humedad. La geometría del quemador de inyección de agua no tiene nada que ver con la de un típico quemador de bajo NOx (una sola pared doble)

Diagrama de una caldera de combustión húmeda anti-NOx
Diagrama de una caldera de combustión húmeda anti-NOx

Como el punto de rocío de los gases de combustión que entran en el condensador, por supuesto, se incrementa (desde ~ 58 ° C en el caso de una combustión regular a ~ 68 ° C en el caso de la combustión húmeda), se recupera mucho más calor latente en el condensador. Esto en comparación con una caldera de condensación ordinaria que funciona a las mismas temperaturas de inicio y retorno del agua. Además, la recuperación de calor adicional que se produce en la torre de pulverización de escape enfría los gases de combustión a temperaturas mucho más bajas que una caldera común. Como resultado, el sistema PAVE es mucho más eficiente que una caldera de condensación ordinaria.

La figura 3 compara la eficiencia del sistema de combustión PAVE con una caldera de condensación regular basada en la temperatura de retorno de condensación. Esto demuestra que el inicio de la condensación se desplaza a una temperatura de retorno más alta, haciendo que el sistema PAVE un candidato ideal para aplicaciones de modernización en las que no es fácil reducir la temperatura de retorno del edificio (alta radiador convencional temperatura)

El sistema PAVE se caracteriza por temperaturas de llama muy bajas, por lo que es capaz de lograr una producción de NOx muy baja. El límite de 30mg / Nm3 se alcanza fácilmente siempre que el aire de combustión se precaliente a 60 ° C y se establezca a una temperatura óptima. En cambio, quemadores "seco" bajo NOx y ultra baja de NOx no pueden alcanzar niveles comparables de las emisiones de NOx mediante el uso de una alta proporción de EGR y, potencialmente, la quema de habitaciones de gran tamaño.

En un sistema de combustión convencional (con aire atmosférico), reducir la temperatura de la llama por debajo de cierta temperatura puede conducir a la formación de CO, pero este no es el caso de una caldera PAVE que se quema gas natural, por lo tanto, un combustible que a priori tiene fácil acceso a su combustión completa.

Por otra parte, las prestaciones del ciclo PAVE no están inclinadas a reducir la temperatura de combustión tan baja mediante un exceso de reciclaje de agua ni a reducir la tasa de O2 en el oxidante por los mismos medios: y el riesgo de formación de CO es eliminado a priori por el ciclo PAVE.

La disminución de la producción de NOx y la reducción del riesgo de penacho de agua en la salida de la chimenea (a través de una menor humedad en el gas de combustión) tienen las siguientes consecuencias positivas: menor riesgo de smog (que es en el caso de la combustión de gas natural) el resultado de la combinación de penacho de agua + NOx) al mismo tiempo que los rendimientos térmicos del ciclo que son máximos ...



El primer proyecto de bomba de vapor de agua de China por CIEC

Durante los últimos años 15, la compañía ICCS implementó el sistema PAVE en varios países europeos, principalmente en Francia, pero también en Alemania e Italia. Como los límites de NOx son menos estrictos en Europa, el sistema se instala como medida de ahorro de energía.

 

Comparativa contra la combustión húmeda y seca anti-NOx
Figura 3: Eficiencia en el PCI de una caldera PAVE (WVP) y una caldera de condensación regular dependiendo de la temperatura de retorno

En 2016, Beijing United Gas Engineering and Technology obtuvo un contrato de una universidad en Beijing para renovar su caldera. Implicaba cambiar la caldera de carbón e instalar un nuevo sistema de gas. Se decidió establecer el sistema PAVE en China por primera vez.

Torre de pulverización en el lado de la chimenea de una caldera PAVE

El sistema comprende dos caldera de condensación de gas 5,6 MW para calentar el campus de alrededor de superficie de calentamiento 160 000 m2. El sistema se ha dimensionado para la capacidad 200000 m2 en previsión de futuros trabajos de expansión. La red de distribución de calor está diseñada para una temperatura de flujo y retorno de 70 ° C / 50 ° C. Todas las unidades terminales están controladas por válvulas de tres vías, lo que hace que la temperatura de retorno sea variable. Solo una de las calderas 2 está equipada por el momento en PAVE, la segunda caldera está equipada con un quemador estándar con baja emisión de NOx. Esto permitirá pruebas comparativas a lo largo del tiempo.

La puesta en marcha fue realizada en marzo 2017, las emisiones de NOx están probando 23 mg / Nm3 (3,5 corregido% de O2), muy por debajo del límite de 30 mg / Nm3. La eficiencia global de la caldera era 107% - una temperatura 45 retorno ° C y CO se midieron 0 mg / Nm3!

Un futuro brillante para las calderas con bombas de vapor ...

El PAVE es una tecnología de combustión para lograr ultra baja de NOx y rendimientos significativamente más altos (109% en PCI) y menores costes de mantenimiento para calderas de condensación convencional. PAVE se puede instalar en una caldera existente sin pérdida significativa de capacidad, mientras que las renovaciones típicas del quemador de bajo NOx pueden reducirlo significativamente. Enfrentado a un grave problema de smog, Pekín está a la vanguardia de la lucha contra la contaminación del aire y los responsables políticos de todo el mundo deberían observar estas acciones ...

Participamos en el desarrollo de este artículo:

Dr. Gregory Zdaniuk, Director Senior de Ingeniería, Engie China
Joël Moreau, Director General Adjunto del ICCS
Lu Liu, ingeniero jefe adjunto en Buget

Traducción por Christophe Martz, ingeniero y director editorial de Econologie.com

Texto de esta fuente en inglés


Saber más:
- El "combustión húmeda" explica por foros R.Guillet
- Descargar el resumen: La combustión y el rendimiento sobre mojado
- Análisis de la combustión húmeda, software DHC
- Patente 1923 sobre la humidificación del aire de combustión
- Síntesis de Rémi Guillet

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2 comenta sobre "Contaminación: Combustión húmeda en Pekín para luchar contra SMOG, NOx y CO"

  1. Para información, se está instalando una XECUM MW PAVE construida por CIEC en la Universidad de Lovaina en Bélgica.
    Se pondrá en servicio en marzo 2018.

  2. Existen algunas soluciones para SMOG, NOx, CO2 y CO basadas en la tecnología Maisotsenko Cycle. M-Cycle puede humectar aire hasta 30-50%. Además, M-Cycle recupera el calor a baja temperatura en 50 C con una eficiencia 98% (informe de GTI, Chicago). Maisotsenko Exergy Tower captura CO2 del aire, la electricidad y el agua potable. Toda la información está abierta y disponible a través de la búsqueda de Google

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