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

El problema de Beijing: reducir sus emisiones de NOx (óxidos de nitrógeno) de las calderas para la salud pública. Se han introducido límites estrictos en las emisiones de NOx de las calderas para combatir el smog en Beijing. El Dr. Gregory Zdaniuk, Joël Moreau y Lu Liu discuten 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 rápido crecimiento industrial de China ha provocado niveles significativos de contaminación del aire, lo que obviamente tiene un impacto en la salud de los chinos, en las grandes ciudades más particularmente y durante muchos años! Las causas son el tráfico rodado, 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 remediar esto, en particular prohibiendo nuevas instalaciones de carbón, limitando el tráfico y aplicando nuevas tecnologías para mejorar la combustión y reducir los NOx en particular. los combustión húmeda es una de esas técnicas del futuro!

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

Una prohibición de carbón para nuevas instalaciones
Renovación progresiva y obligatoria de las instalaciones de carbón existentes
Restricciones sobre el registro de vehículos nuevos y 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. superior (!!) a los estándares 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 el área de la llama ; esto es lo que Beijing usa y quiere desarrollar, utilizando un sistema desarrollado en Europa durante los últimos 15 años, particularmente en el trabajo de Rémi Guillet. Los métodos postratamiento, por ejemplo, el selectivo de reducción catalítica SCR o reducción selectiva no catalítica: aborda las emisiones de NOx posteriores a la formación. Las técnicas de control de la combustión evitan la formación de NOx.

Los métodos de postratamiento tienden a ser más costosos y generalmente no se utilizan en calderas con una potencia inferior a 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… ¡Eso es 3 veces más que en China!

Además de los estrictos límites legales, Beijing ha implementado un programa de incentivos económicos para reducir los NOx de las calderas de gas existentes. Los proyectos de renovación se recompensan en función de la cantidad de NOx que ahorran. 1 calderas de gas se modificaron en 500. En 2016, Beijing modificó el equivalente a 2017 GW de 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:

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Por lo tanto, el desafío para los ingenieros es reducir la temperatura de la llama, manteniendo 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 de monóxido de carbono (CO) potencial presente en los gases de escape!

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

La inyección de agua o vapor provoca la modificación de la estequiometría (la relación cuantitativa entre oxidante y oxidante) - y por tanto de la temperatura de la llama adiabática - de la mezcla aire-combustible. La adición de agua también “dispersa” las calorías generadas por la combustión. Ambos fenómenos provocan una disminución de la temperatura de combustión: el color de la llama de gas, lógicamente azul, se vuelve notablemente amarillo anaranjado. Si la temperatura de la llama se reduce lo suficiente, difícilmente se formará NOx y se mantendrá 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 ello, se colocan dos pulverizadores en el flujo de aire: uno en la entrada de aire exterior 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 diseñado para manejar el aire de combustión saturado de humedad. La geometría del quemador de inyección de agua no tiene nada que ver con la de un quemador típico de bajo NOx (una sola pared doble)

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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 ingresan al condensador aumenta, por supuesto (de ~ 58 ° C en el caso de combustión regular a ~ 68 ° C en el caso de combustión húmeda), se recupera mucho más calor latente en el condensador. Esto se compara con una caldera de condensación ordinaria que funciona a las mismas temperaturas de flujo 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 en comparación con una caldera normal. 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 y una caldera de condensación regular en función de la temperatura de retorno de condensación. Muestra que el inicio de la condensación se desplaza a una temperatura de retorno más alta, lo que hace que el sistema PAVE sea un candidato ideal para aplicaciones de modernización donde no es fácil reducir la temperatura de retorno del edificio (radiador convencional en temperatura)

El sistema PAVE se caracteriza por temperaturas de llama muy bajas, por lo que es capaz de lograr producciones de NOx muy bajas. El límite de 30 mg / Nm3 se alcanza fácilmente siempre que el aire de combustión se precaliente a 60 ° C y se ajuste a una temperatura óptima. En cambio, Los quemadores “secos” de bajo NOx y muy bajo en NOx solo pueden alcanzar niveles comparables de emisiones de NOx mediante el uso de una alta proporción de EGR y, potencialmente, cámaras de combustión sobredimensionadas.

En un sistema de combustión convencional (con aire atmosférico), reducir la temperatura de la llama por debajo de una determinada temperatura puede provocar la formación de CO, pero este no es el caso de una caldera PAVE que quema El gas natural por tanto un combustible que a priori accede fácilmente a su combustión completa.

Además, los rendimientos del ciclo PAVE no están inclinados a hacer que la temperatura de combustión baje tanto por el exceso de reciclaje de agua ni siquiera a reducir la tasa de O2 en el oxidante por este mismo medio: y el riesgo de formación de CO es a priori eliminado por el ciclo PAVE.

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

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Primer proyecto de bomba de vapor de agua en 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: Rendimiento en el PCI de una caldera PAVE (WVP) y una caldera de condensación regular en función de la temperatura de retorno

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

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

El sistema incluye dos calderas de gas de condensación de 5,6 MW cada una para calentar el campus sobre aproximadamente 160 m000 de superficie de calefacción. El sistema se dimensionó para una capacidad de 2 m200000 en previsión de futuros trabajos de ampliación. La red de distribución de calor está diseñada para una temperatura de flujo y retorno de 2 ° C / 70 ° 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 50 calderas está equipada actualmente con PAVE, la segunda caldera está equipada con un quemador estándar de bajo NOx. Esto permitirá realizar pruebas comparativas a lo largo del tiempo.

La puesta en servicio se realizó en marzo de 2017, con las emisiones de NOx probadas a 23 mg / Nm3 (corregido al 3,5% O2), muy por debajo del límite de 30 mg / Nm3. La eficiencia total de la caldera fue del 107%, a una temperatura de retorno de 45 ° C y las emisiones de CO se midieron a 0 mg / Nm3.

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

PAVE es una tecnología de combustión capaz de lograr emisiones ultrabajas de NOx y eficiencias considerablemente altas (109% en PCI) y menores costos de mantenimiento que las calderas de condensación convencionales. PAVE se puede instalar en una caldera existente sin una pérdida significativa de capacidad, mientras que las modificaciones típicas de quemadores con bajo contenido de NOx pueden reducirlo significativamente. Ante un grave problema de smog, Beijing está a la vanguardia de la lucha contra la contaminación del aire y estas acciones deben ser observadas por los responsables políticos de todo el mundo ...

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

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

  1. Para más información, se está instalando un PAVE de 10 MW construido 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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