Snížení emisí tuhých znečišťujících látek elektrostatickou metodou

Oleksandr Molchanov

Doctoral thesis

Reduction of emissions of solid pollutants from heating by electrostatic method

Abstract:

Předkládaná disertační práce se zabývá výzkumu elektrostatického odlučování tuhých znečisťujících látek ze spalin kotle malých výkonu. Hlavním výsledkem provedeného výzkumu je vývoj principů navrhování takových elektrostatických odlučovačů a to v obsahu, přijatelném k dalšímu využití v inženýrské praxi. Výsledky teoretického a experimentálního výzkumu této práce zvyšují efektivitu dalšího výzkumu v tomto oboru. Řešení stanovených úkolů v práci umožnilo jasněji objasnit myšlenku procesu odloučení studovaných částic v EO. Konkrétní výsledky této práce lze shrnout následovně. Výsledkem výzkumu, shrnutého v této práci je poznatek, že tuhé znečisťující látky emitované z kotlů malých výkonů jsou tvořeny částicemi submikronového spektra. Náboj takových částic musí být hodnocen použitím vzájemným dějem mechanismu nabíjení polem a difúzního nabíjecího mechanismu, nikoliv jejích použitím samostatně nebo jejich součtem. Ke správné predikci účinnosti elektrostatických odlučovačů jsou takové polně-difuzní metody hodnocení náboje v této prací diskutovány a je navržena zjednodušená metoda, jejíž platnost je ověřena v reálných podmínkách. Tato metoda v podmínkách běžného elektrostatického odlučovače demonstruje uspokojivou konvergenci pro rozsah částic od 50 do 1000 nm s dobou nabíjení přes 0,1 sekundy, přitom predikce účinnosti odlučování má přesnost, přijatelnou pro praktické technické výpočty. Navrhovaná metoda také vyžaduje menší počet vstupů a má menší pracnost, čímž značně usnadňuje inženýrství EO. V této práci je popsána optimalizační technika hodnocení využití k čištění spalin kapacity elektrostatických odlučovačů. Potřebná účinnost odlučovaní je tedy poprvé představena jako rovnováha mezi elektrickými a konstrukčními parametry elektrostatického odlučovače, a umožňuje určit nejvhodnější způsob, jak dokázat potřebnou účinnost odlučování. Navrhovaná technika, je založena na principech elektrostatického odlučování a je nezávislá na zdroji a charakteristice emisí. Proto ji použít pro jakýkoli typ kotle, úroveň tepelného výkonu a typ paliva, stejně jako při navrhovaní konstrukce EO k čistění spalin těchto kotlů, predikce hodnoty potřebného napětí a hodnocení využití kapacity už instalovaných EO, k minimalizaci snížení emisí TZL a vyhodnocení potenciálu snížení spotřeby energie. Pracovní náročnost navržené techniky je nízká, což spolu s její universálností představuje hlavní přednost. Představená technika optimalizací EO muže být použita pro jakýkoliv typ kotle, úroveň tepelného výkonu a typ paliva. Dále při navrhovaní konstrukce EO k čistění spalin z těchto kotlů, predikcí hodnoty potřebného napětí, a hodnocení využití kapacity už instalovaných EO k regulaci emisí a vyhodnocení možnosti snížení spotřeby energie. Na základě uvedených návrhů je vyvíjena a následně odzkoušena konstrukce elektrostatického odlučovače, který zajišťuje plnění požadavků ECODESIGNu v častí emisí TZL. V současné době probíhá příprava k hromadné výrobě kotlů o tepelném výkonu 250 kW vybavených elektrostatickými odlučovači jako jejich neoddělitelnými částmi kotlů.

Abstract:

The presented dissertation deals with the research of electrostatic separation of solid pollutants from the flue gases of small power boilers. The main result of the research is the development of the principles of designing such electrostatic precipitators in a content acceptable for further use in engineering practice. Theoretical and experimenta results of research of this work increase the effectiveness of further research in this field. The solution of the set tasks in work made it possible to clarify the idea of the process of electrostatic precipitation for studied particles. The specific results of this work can be summarised as follows. Since solid pollutants emitted from low power boilers are formed by particles of the submicron spectrum, charges of these particles must be evaluated using the mutual action of the field charging mechanism and the diffuse charging mechanism, not using them separately or by summing them. To correctly predict the efficiency of electrostatic precipitators, such field-diffusion charge evaluation methods are discussed in this work, and a simplified method is proposed, the validity of which is experimentally verified. This newly proposed method demonstrates satisfactory convergence in the range of particles from 50 to 1000 nm with a charging time over 0.1 seconds under the conditions of a conventional electrostatic precipitator, while the prediction of the separation efficiency has an accuracy acceptable for practical technical calculations. The proposed method also requires fewer inputs and is less laborious, making engineering much easier. This work describes an optimization technique for evaluating the use of electrostatic precipitators capacity for flue gas cleaning. Thus, the required efficiency is first presented as a balance between the electrical and design parameters of the electrostatic precipitator and makes it possible to determine the most suitable way to prove the required separation efficiency. The proposed technique is based on the principles of electrostatic separation and is independent of the source and characteristics of emissions. The labour intensity of the proposed technique is low, which, together with its universality, is the main advantage. The presented optimization technique can be used for any boiler, heat output level and fuel type. Furthermore, when designing the design of electrostatic precipitator for cleaning flue gases from these boilers, predicting the value of the required voltage, and evaluating the capacity utilization of already installed precipitators to control emissions and evaluate the possibility of reducing energy consumption. Based on the above, the construction of an electrostatic precipitator is developed and subsequently tested, which ensures compliance with the requirements of ECODESIGN in the part of PM emissions. Preparations are currently underway for the mass production of boilers with a heat output of 250 kW equipped with electrostatic precipitators as their inseparable parts of the boilers.

Keywords

elektrostatický odlučovač, kotel malého výkonu, tuhé znečisťující látky, čistění spalin, nabíjení částic

Keywords

electrostatic precipitator, small-scale boiler, particulate matter, pollution control, particle charging

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 14. 9. 2020

Thesis defence

• Date of defence: 24. 2. 2021
• Supervisor: Tadeáš Ochodek
• Reader: Bohumír Čech, Vladimír Ždímal, Michal Vojtíšek

VSB – Technical University of Ostrava

Fakulta strojní

Doctoral programme / field:
Strojní inženýrství / Energetické stroje a zařízení