Съвременни технологични тенденции при горелките

Изискванията към производителите в световен мащаб никога не са били по-високи. Компаниите в много области на промишлеността трябва да оптимизират производителността си и да сведат до минимум количествата генерирани отпадъци, като същевременно не надвишават и нормите за вредни емисии, независимо от регулаторните изисквания в дадената държава или регион.

С постоянните промени в емисионните стандарти справянето с всичката налична информация за намиране на най-добрия начин за отговаряне на изискванията и в същото време постигане на съответното качество на процесите или продуктите може да е доста трудно.

Инженерите, които проектират горелки за котли за промишлени цели, постоянно се стремят да разработват продукти с висока ефективност и ниски емисии. Намаляването на емисиите обаче често може да се реализира за сметка на ефективността и обратно. Редуцирането на емисиите на азотни оксиди NOX може да бъде постигнато при по-ниски температури на нагряване на въздуха, тъй като тогава общата температура е по-ниска, което ограничава формирането на термични NOX. Като цяло регулациите за свръхниски емисии на NOX се отнасят за нискотемпературни горелки за нагряване на въздуха.

Емисионните ограничения за NOX при високотемпературните горелки са по-строги, но както и при нискотемпературните съоръжения, нормите постоянно се занижават.

В момента на пазара съществуват две основни технологии за ограничаване на емисиите - рециркулация на димните газове и повърхностно-стабилизирано изгаряне, използващо технология с метални влакна.

Рециркулация на димните газове

При рециркулацията част от отработения газ се връща обратно в зоната на горене, за да намали температурата на пламъка и формирането на азотни оксиди. Количеството димен газ от котела се отчита и се смесва с въздуха за поддържане на горенето, охлаждайки по този начин пламъка, без да го погасява. По-високата температура на смесения въздух и масопреноса могат да окажат въздействие върху изискванията за големината и мощността на системния вентилатор. Прекомерното охлаждане на пламъка ще предизвика силен шум при работа на котела и образуване на сажди и въглероден оксид.

Рециркулацията на димни газове се препоръчва за съоръжения, при които стремежът е да се постигне ниво на NOX под 30 ppm или 9 ppm. Количеството на необходимия рециркулиран газ зависи от изискванията за емисиите на NOX. Колкото по-ниско е желаното ниво, толкова повече отработени газове трябва да бъдат включени в рециркулацията. Обикновено за емисии с 30 ppm се изисква 15 до 20% рециркулация на димни газове, а за 9 ppm - 20 до 25%.

Системата изисква допълнителна клапа за измерване количеството рециркулирани отработени газове. За прецизен контрол се препоръчва включването на допълнителна система за регулиране на кислорода, която да поддържа необходимото количество рециркулирани димни газове и излишъка на въздух.

Когато се прилага рециркулация, в зависимост от количеството добавени димни газове ефективността на котела може да намалее нормално с около 0,25 до 1%. Прави се компромис между понижаването на температурата на пламъка и намаляването на излъчваната от нагревателната част на котела топлина от една страна и увеличаването на топлопреноса чрез конвекция от друга, което се получава заради по-голямото количество газ, преминал през котела.

Някои конструкции могат да компенсират тази загуба при конвекция по-добре от други. Важно е да се отбележи, че рециркулацията на димни газове изисква постоянна поддръжка, за да се избегне кондензацията в тръбопроводите. Ако кондензат достигне вътрешната част на горелката, той може да повреди вентилаторния ротор и главата на горелката.

Технология с метални влакна

Друг процес, който се използва за управление на емисиите, е технологията с метални влакна. Този метод, появил се в последните 10-15 години, вече е широко приет сред производителите на индустриални горелки. Процесът не включва нито традиционния дифузор за стабилизиране на пламъка, нито пък води до получаването на типичния дифузионен пламък. Вместо това горивото и въздухът се смесват предварително и пламъкът се стабилизира върху материал с метални влакна.

Повърхностно-стабилизираното горене удължава пламъка, елиминира зоните с висока температура на пламъка и намалява формирането на термични NOX вътре в пламъка, позволявайки на горелката да достигне едноцифрени нива на NOX без да се прилага рециркулация на димните газове. При горелките с метални влакна, за да се намалят нивата на NOX, обикновено се изисква по-голям излишък на въздух. За едноцифрени емисионни норми на NOX при прилагането на тази технология обикновено са необходими 50-60% излишък.

Технологията с метални влакна няма да елиминира нуждата от традиционни горелки, използващи рециркулация на димните за намаляване на NOX. В бъдеще обаче горелките може да включват комбинация от различни технологии, например предварително смесване, степенно подаване на гориво или въздух, вътрешна или външна рециркулация на димните газове и други технологии, позволяващи постигането на свръхниски емисии на NOX с минимум рециркулация.

Безпламъчно окисление

Безпламъчното горене също се използва за намаляване емисиите на NOX. Основният принцип е, че когато горивната камера достигне температура на самозапалване (приблизително 750°С), горенето на газа се премества извън горелката или камерата. По този начин всъщност горенето се разпространява в по-голям обем, вместо да е съсредоточено в дюзата, а температурата е по-ниска.

Общата температура в камерата все още е достатъчно висока, за да предизвика изгаряне на горивния газ, но е достатъчно ниска (в сравнение с горелки с видим пламък), за да доведе до редуциране нивата на NOX.

Окислението без пламък се прилага успешно във високотемпературните индустриални процеси, особено в стоманодобивната промишленост. Тази технология на горене предлага възможност за допълнителни подобрения по отношение на енергийни спестявания, както и съчетаване на силно предварително подгряване на въздуха с много ниски емисии на NOX.

В последните няколко години това доведе до разработването на иновативни газови горелки с безпламъчно окисление за индустриални цели с много висока ефективност. Използването на такива горелки допринася в значителна степен за пестенето на енергия и намаляването на емисиите на CO2.

Схеми за управление при редукция на емисиите

Почти толкова важна, колкото дизайна на горелката и избора на технология за намаляване на емисиите, е схемата за управление. При безпламъчно горене потребителите трябва да изберат система за безопасност на пламъка с високотемпературен байпас. С преминаването от пламъчен в безпламъчен режим сензорът вече не може да установи наличието на пламък и стандартната система за безопасност ще регистрира липсата на пламък в горивната камера.

Системата за безопасност на пламъка с високотемпературен байпас ще позволи на горелката да продължи да работи и след превключването към безпламъчен режим.

Пулсовото възпламеняване е техника, която се използва в многогорелкови системи за намаляване емисиите на NOX, като горелките работят в две позиции: слабо/силно или включено/изключено. Този метод може да намали NOX, защото когато горелката е в режим “силно възпламеняване”, тя работи при оптимално ниво на NOX.

Налага се поставянето на уникални системи за управление, защото всяка горелка трябва да е включена (или изключена) за определен период от време и този цикъл се синхронизира с останалите горелки в системата, за да се получи необходимата за процеса температура.

Един от най-добрите начини да се управляват емисиите на горивната система е да се използва решение за контрол на масопреноса, което комбинира регулиращи вентили за газ и въздух, разходомери за газ и въздух и система за управление на горелката. Всички тези пет компонента комуникират помежду си, за да осигурят прецизно електронно управление на въздушния и горивния поток към горелката.

Разходомерите подават обратна връзка към системата за управление на горелката, която след това настройва по съответния начин регулиращите вентили. Този тип система може да отговори на измененията в условията като температура, налягане и плътност на въздуха, и да ги компенсира автоматично, като по този начин поддържа най-доброто съотношение въздух-гориво за оптимална работа на горелката и ниски NOX емисии.

Постигане на по-висока ефективност

В последните години, в резултат на продължаващите и досега изследвания и развойна дейност, ефективността на горелките се повиши. Всички горелки имат определено съотношение на максимална към минимална производителност. В миналото типичното съотношение на горелките е било 4:1 или 5:1. С днешните технологии и конструкции на горелките може да се постигне съотношение 10:1 с добра повторяемост и относително лесно управление.

Ако горелката има съотношение 10:1, тя може да работи и при 10% от капацитета си. За сравнение, горелка, която има съотношение на максимална към минимална производителност 4:1, може да работи само на до 25% от капацитета си. Когато потребността падне под 25%, котелът ще отговори на това минимално изискване и ще продължи да работи напразно, докато необходимостта не нарасне отново. При съотношение 10:1 котелът може да работи на до 10% от капацитета си, което предотвратява ненужните загуби на енергия.

Изборът на горелка, която изисква по-малък излишък на въздух, е друг начин да се повиши ефективността. Излишъкът на въздух може да се разглежда като излишък на O2, който представлява количеството кислород във входящия въздух, което не се използва при горенето. Процентът излишък на въздух е количеството въздух над стехиометрично необходимото за протичане на пълно горене. Например 15% излишък на въздух съответства на 3% O2 при горенето на природен газ.

Много от съвременните горелки работят с между 4 и 6% O2, а целта е стойността да е между 3 и 4%. По-малкият излишък на въздух създава пламък с по-висока температура, което е предпоставка за подобряване ефективността на горелката. Точното количество допълнителен въздух трябва да се добави при процеса на окисление в котела, защото в противен случай неизгорялото гориво, саждите и CO ще бъдат изпуснати през комина, замърсявайки околната среда и топлопреносните повърхности на горелката.

Основното правило е, че на всеки 2% увеличение на O2 съответства 1% загуба на ефективност. Най-добрите съвременни горелки могат да работят оптимално с 3% O2 през по-голямата част от диапазона си на горене.

Новите системи за управление на пазара също помагат за увеличаване на ефективността. Те контролират скоростта на горене на горелката и способността й да преминава от режим с ниска към режим с висока мощност. Те предотвратяват хистерезиса и поддържат постоянно количество излишък на въздух по време на горенето. Въпреки това не е реалистично при внедряването на нови системи за управление на стари горелки да се очаква значително редуциране на емисиите или на съотношението на максималната към минималната производителност.

Усъвършенстваните системи за управление и конструкции на горелките позволяват модулацията от ниска към висока мощност, като същевременно се поддържат безопасни и ниски нива на излишък на въздух. Това е в сила дори при горелки със съотношение 10:1. След няколко години промишлеността вероятно ще произведе и горелка, която може да постигне 10 ppm NOX без рециркулация на димните газове или технология с метални влакна и ще може да преминава от ниска към висока мощност, докато поддържа ниво от 3% O2.