Verontreiniging: natte verbranding in Beijing om te vechten tegen SMOG, NOx en CO

Het probleem van Beijing: het verminderen van de NOx-emissies (stikstofoxide) van ketels voor de volksgezondheid. In Beijing zijn strikte limieten voor NOx-emissies van ketels ingevoerd om smog te bestrijden. Dr. Gregory Zdaniuk, Joël Moreau en Lu Liu onderzoeken het gebruik van natte verbranding, een onderwerp waarover lang wordt gediscussieerd op Econologie.com, met name via het werk van Rémi Guillet die zijn ideeën publiceert en regelmatig werkt.

Peking lijdt onder vervuiling en zoekt naar oplossingen

De zeer snelle industriële groei van China heeft geleid tot aanzienlijke niveaus van luchtverontreiniging, die uiteraard gevolgen heeft voor de gezondheid van de Chinezen, in de grote steden meer specifiek en voor vele jaren! Oorzaken zijn het wegverkeer, de kolenindustrie en de verwarming van gebouwen. De gemeente Beijing wil de luchtkwaliteit verbeteren en loopt voorop in de strijd tegen luchtverontreiniging. Het levert grote inspanningen om dit te verhelpen, met name door nieuwe koleninstallaties te verbieden, het verkeer te beperken en door nieuwe technologieën toe te passen om de verbranding te verbeteren en met name de NOx te verminderen. Daar natte verbranding is een van die technieken van de toekomst!

"War on Smog": de gemeente Beijing heeft een reeks onderzoeksmaatregelen ingevoerd om luchtverontreiniging te bestrijden:

Een verbod op kolen voor nieuwe installaties
Geleidelijke en verplichte renovatie van bestaande kolengestookte installaties
Beperkingen op de registratie van nieuwe auto's en het dagelijkse verkeer
Bevordering van elektrische mobiliteit
Bevordering van taxi's op aardgas (methaan) en vervoer op LPG (propaan-butaan).
Ontwikkeling van autodelen en fietsen
Strenge limieten voor NOx in nieuwe en bestaande gasketels

Sinds 1 april 2017 moeten installaties voldoen aan de NOx-grenswaarden voor nieuwe en bestaande gasketels, die zelfs superieur (!!) aan de normen van de Europese Unie. De gemeente heeft ook stimulansen ingevoerd om de NOx-emissies van gasketels te verminderen; daarom zijn in 1 500 ketels aangepast.

Reductie van NOx in ketels is mogelijk door het injecteren van water of stoom in het vlamgebied ; dit is wat Beijing gebruikt en wil ontwikkelen, gebruikmakend van een systeem dat de afgelopen 15 jaar in Europa is ontwikkeld, met name op basis van het werk van Rémi Guillet. Methoden voor nabewerking, bijvoorbeeld SCR selectieve katalytische reductie of selectieve niet-katalytische reductie – behandel NOx-emissies na vorming. Verbrandingsbeheersingstechnieken voorkomen de vorming van NOx.

Nabehandelingsmethoden zijn meestal duurder en worden over het algemeen niet gebruikt bij ketels met een vermogen van minder dan 10 MW.

Peking's strikte NOx-limieten voor ketels

In navolging van de norm voor luchtverontreinigende emissies voor ketels (DB11/139-2015) moeten nieuwe installaties en kolengasverbranding nu voldoen aan een NOx limiet van 30mg/Nm3 , terwijl bestaande installaties een limiet hebben van 80mg/Nm3. Ter vergelijking hier in Europa is de equivalente NOx-limiet die is vastgesteld door de Europese richtlijn 100mg NOx/Nm3…dat is 3 keer meer dan in China!

Naast strikte wettelijke limieten heeft Beijing een economisch stimuleringsprogramma voor NOx-reductie ingevoerd voor bestaande gasketels. Retrofitprojecten worden beloond op basis van hoeveel NOx ze besparen. In 1 werden 500 gasketels aangepast. In 2016 paste Beijing het equivalent van 2017 GW aan cumulatief thermisch vermogen van gasketels aan, d.w.z. ongeveer de thermische kracht van 2 kernreactoren!

De vorming van NOx varieert bijna exponentieel met de temperatuur van de vlam. De primaire methode van NOx-beheersing is het verlagen van de vlamtemperatuur. Dit kan op verschillende manieren worden bereikt:

Lees ook:  Olie, niet de bijdrage burger voor de oliemaatschappijen!

De uitdaging voor ingenieurs is daarom om de vlamtemperatuur te verlagen, terwijl de vlamstabiliteit en het ketelrendement behouden blijven. Veiligheid is ook van cruciaal belang, vooral als het gaat om EGR, vanwege de risico op explosie van koolmonoxide (CO). potentiaal aanwezig in de uitlaatgassen!

Het natte verbrandingssysteem van waterdamppomp (PAVE)

De injectie van water of stoom veroorzaakt een wijziging van de stoichiometrie (de kwantitatieve relatie tussen oxidant en geoxideerd) – en dus van de temperatuur van de adiabatische vlam – van het lucht-brandstofmengsel. Het toevoegen van water "verspreidt" ook de calorieën die door verbranding worden gegenereerd. Beide verschijnselen zorgen voor een verlaging van de verbrandingstemperatuur – de kleur van de gasvlam, logischerwijs blauw, wordt merkbaar oranjegeel. Als de vlamtemperatuur voldoende wordt verlaagd, wordt er bijna geen NOx meer gevormd en blijft het thermisch rendement van de ketel behouden.

Natte brandende gasvlam
Natte verbranding (methaan)
Droog brandende gasvlam
Droge verbranding (methaan)

Figuur 1: Dezelfde brander werkt in natte verbrandingsmodus (boven) en droge verbrandingsmodus (onder)

Het waterdamppompsysteem (Water Vapor Pump, WVP of Waterdamppomp, PAVE) is een methode van natte verbranding van Ph.D Rémi Guillet ontwikkeld en gepatenteerd in 1979 door het bedrijf CIEC, gevestigd in Parijs, dat sinds 2004 deel uitmaakt van de ENGIE-groep. Het bestaat uit een voorverwarming en vochtigheidsverzadiging van de verbrandingslucht met terugwinning van voelbare en latente warmte uit de verbrandingsgassen. Hiervoor worden twee verstuivers in de luchtstroom geplaatst: één in de verse luchtinlaat en de andere tussen de condensor en de schoorsteen, zoals weergegeven in figuur 2. Alle componenten zijn gemaakt van roestvrij staal en de brander is gemaakt om met vocht verzadigde verbrandingslucht te verwerken. De geometrie van de waterinjectiebrander heeft niets te maken met die van een typische lage NOx-brander (een simpele dubbele wand)

Lees ook:  Klimaatplan: ADEME-fondsen gedeeltelijk bevroren
Schema van een anti-NOx natte verbrandingsketel
Schema van een anti-NOx natte verbrandingsketel

Aangezien het dauwpunt van de rookgassen die de condensor binnenkomen uiteraard verhoogd is (van ~58°C bij normale verbranding tot ~68°C bij natte verbranding), in de condensor wordt veel meer latente warmte teruggewonnen. Dit in vergelijking met een gewone condensatieketel die op dezelfde aanvoer- en retourwatertemperatuur werkt. Ook de extra warmteterugwinning die in de uitlaatsproeitoren plaatsvindt, koelt de rookgassen af ​​tot veel lagere temperaturen in vergelijking met een reguliere ketel. Het systeem dus PAVE is veel zuiniger dan een gewone condensatieketel.

Figuur 3 vergelijkt het rendement van het PAVE-verbrandingssysteem en een reguliere condensatieketel als functie van de condenserende retourtemperatuur. Het laat zien dat het begin van condensatie wordt vertraagd bij een hogere retourtemperatuur, waardoor het PAVE-systeem een ​​ideale kandidaat is voor retrofittoepassingen waarbij het niet eenvoudig is om de retourtemperatuur van het gebouw te verlagen (conventionele hogetemperatuurradiatoren).

Het PAVE-systeem wordt gekenmerkt door zeer lage vlamtemperaturen, waardoor het in staat is om zeer lage NOx-producties te realiseren. De grens van 30mg/Nm3 wordt gemakkelijk bereikt zolang de verbrandingslucht wordt voorverwarmd tot 60°C en op een optimale temperatuur wordt geregeld. Aan de andere kant, lage NOx en zeer lage NOx "droge" branders kunnen alleen vergelijkbare niveaus van NOx-emissie bereiken door een hoog aandeel EGR en mogelijk te grote verbrandingskamers te gebruiken.

In een conventioneel verbrandingssysteem (met atmosferische lucht) kan het verlagen van de temperatuur van de vlam tot onder een bepaalde temperatuur leiden tot de vorming van CO, maar dit is niet het geval voor een PAVE-ketel die aardgas verbrandt, dus een brandstof die a priori gemakkelijk toegang heeft tot zijn volledige verbranding.

Bovendien zijn de prestaties van de PAVE-cyclus niet geneigd om de verbrandingstemperatuur tot een minimum te verlagen door middel van te veel waterrecycling, noch zelfs om de O2-snelheid in de oxidator op dezelfde manier te verminderen: en het risico van CO-vorming wordt a priori uitgesloten door de PAVE-cyclus.

Vermindering van de productie van NOx en vermindering van het risico op een waterpluim aan de schoorsteenuitlaat (via minder vocht in de rookgassen) hebben de gelukkige gevolgen: minder risico op smog (wat in het geval van de verbranding van aardgas het resultaat is van de combinatie waterpluim + NOx) en tegelijkertijd de thermische prestatie van de cyclus die maximaal is...

Lees ook:  PolyFuel: nieuw membraan voor goedkopere brandstofcellen

Eerste waterdamppompproject in China door CIEC

In de afgelopen 15 jaar heeft het bedrijf CIEC heeft het PAVE-systeem geïmplementeerd in verschillende Europese landen, voornamelijk in Frankrijk, maar ook in Duitsland en Italië. Aangezien de NOx-limieten in Europa minder streng zijn, wordt het systeem geïnstalleerd als een energiebesparende maatregel.

 

Vergelijkende anti-NOx natte en droge verbranding
Figuur 3: PCI rendement van een PAVE-ketel (WVP) en een reguliere condensatieketel als functie van de retourtemperatuur

In 2016 won Beijing United Gas Engineering and Technology een contract van een universiteit in Beijing om haar stookruimte te vernieuwen. Het betrof het ombouwen van de kolengestookte stookruimte en het plaatsen van een nieuwe gasgestookte installatie. Er werd besloten om het PAVE-systeem voor het eerst in China te implementeren.

Sproeitoren aan de schoorsteenzijde van een PAVE-ketel

Het systeem omvat twee condenserende gasketels van elk 5,6 MW om de campus te verwarmen op circa 160 m000 verwarmingsoppervlak. Het systeem is gedimensioneerd voor een capaciteit van 2 m200000 in afwachting van toekomstige uitbreidingswerken. Het warmtedistributienet is ontworpen voor een aanvoer- en retourtemperatuur van 2°C/70°C. Alle eindunits worden geregeld door driewegkleppen, waardoor de retourtemperatuur variabel is. Slechts één van de 50 ketels is momenteel voorzien van PAVE, de tweede ketel is voorzien van een standaard brander met lage NOx uitstoot. Dit maakt vergelijkende tests in de tijd mogelijk.

De ingebruikname vond plaats in maart 2017, waarbij de NOx-emissie werd getest op 23 mg/Nm3 (gecorrigeerd naar 3,5% O2), ruim onder de grens van 30 mg/Nm3. Het totale rendement van de ketel was 107% – bij een retourtemperatuur van 45°C en een gemeten CO-uitstoot van 0 mg/Nm3!

Een mooie toekomst voor stoompompketels…

PAVE is een verbrandingstechnologie die in staat is om ultralage NOx-emissies te bereiken en met een dramatisch hoog rendement (109% op PCI) en lagere onderhoudskosten dan conventionele condensatieketels. De PAVE kan achteraf worden ingebouwd in een bestaande ketel zonder aanzienlijk capaciteitsverlies, terwijl typische retrofits met een lage NOx-brander dit aanzienlijk kunnen verminderen. Geconfronteerd met een ernstig smogprobleem, loopt Peking voorop in de strijd tegen luchtvervuiling en deze acties moeten worden nageleefd door beleidsmakers over de hele wereld...

Wij hebben meegewerkt aan de uitwerking van dit artikel:

Dr. Gregory Zdaniuk, Senior Engineering Manager, Engie China
Joël Moreau, adjunct-directeur-generaal van de CIEC
Lu Liu, plaatsvervangend hoofdingenieur bij Buget

Vertaling door Christophe Martz, ingenieur en hoofdredacteur van de website Econologie.com

Tekst gebaseerd op deze bron in het Engels

Meer informatie gebruiksaanwijzing:
- De "natte verbranding" uitgelegd door R. Guillet op forums
– Download de samenvatting: Verbranding en prestaties op nat wegdek
- Analyse van de natte verbranding, DHC Software
- 1923 patent op verbrandingsluchtbevochtiging
- Synthese door Rémi Guillet

2 reacties op “Vervuiling: natte verbranding in Beijing om SMOG, NOx en CO te bestrijden”

  1. Ter informatie: een 10 MW PAVE gebouwd door CIEC wordt geïnstalleerd aan de Universiteit van Leuven in België.
    In maart 2018 wordt het in gebruik genomen.

  2. Er zijn enkele oplossingen die geschikt zijn om SMOG, NOx, CO2 en CO te bestrijden op basis van Maisotsenko Cycle-technologie. M-Cycle kan de lucht tot 30-50% bevochtigen. Bovendien recupereert M-Cycle warmte op lage temperatuur bij 50 C met een efficiëntie van 98% (rapport door GTI, Chicago). Maisotsenko Exergy Tower vangt CO2 op uit de lucht en wekt elektriciteit en koud drinkwater op. Alle informatie is open en beschikbaar via Google zoeken

Laat een reactie achter

Uw e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Verplichte velden zijn gemarkeerd *