Високоефективни нискоемисионни горелки

• С оглед на глобалните усилия по посока декарбонизация и устойчиво развитие нискоемисионните горелки се превръщат в задължителен стандарт за предприятия от различни сектори
  
  
• Съвременните горелки се отличават с много по-висока ефективност от предшествениците си, която се постига чрез редица конструктивни и технологични подобрения
  
  
• При системите от следващо поколение фокусът ще е основно върху ултраниските емисии

С оглед на глобалните усилия по посока декарбонизация и устойчиво развитие нискоемисионните горелки се превръщат в задължителен стандарт за предприятия от различни сектори, които се придържат към ESG ангажиментите си и се стремят безапелационно да отговорят на все по-строгите екологични норми и регулации, като същевременно запазват конкурентоспособността си. Освен че се характеризират с по-ниски емисии и следователно са много по-екологосъобразни от предшествениците си, съвременните горелки позволяват и значителни икономии на енергия, както и много по-висока ефективност на горивните процеси.

В сп. Енерджи ревю многократно сме посвещавали редакционни материали на иновативни подходи за повишаване на ефективността на промишлените горелки. Тъй като този сегмент непрекъснато се развива в технологичен аспект, в настоящия материал ще направим преглед на някои от последните новости в дизайна и функционалността, чрез които модерните горелки осигуряват все по-оптимално съчетание от ниски емисии и висока ефективност.

Основни типове промишлени горелки

Промишлените горелки са ключови елементи на технологичните инсталации, базирани на топлинни процеси, в редица индустрии и сектори, като производството, химическия отрасъл и енергетиката. Освен за отопление и водоподгряване (директно и индиректно загряване), тези системи се използват широко за осигуряване на технологична топлина в хранително-вкусовата и фармацевтичната промишленост, петрохимията, производството на метали, стъкларската индустрия, в асфалтови бази, пещи, сушилни, топилни, котелни стопанства и др. Оборудване от този тип е в основата на множество ключови процеси, като печене, сушене, стерилизация, топене, рафиниране, индуциране на химичен синтез, изгаряне на отпадъци и т. н. В голяма част от тях се използват високотемпературни горелки, които чрез прецизен температурен контрол гарантират ефективността и безопасността на процеса.

На пазара се предлагат множество разновидности универсални и специализирани системи, проектирани за специфичен тип (или комбинация от) горива – твърди, течни и газови. Най-популярни в наши дни безспорно са газовите, дизеловите и маслените горелки, както и комбинираните варианти, позволяващи изгаряне на два различни вида гориво – най-често газ и течност, според наличността и цената. Биогазовите горелки например са предназначени единствено за изгаряне на биогаз, като не могат да работят с природен, а приложенията им в индустрията са сравнително по-ограничени.

Все по-често срещани с развитието на технологиите в областта на водорода стават водородните горелки, които представляват ефективен способ за оползотворяване на произведения чрез различни процеси, включително посредством “зелени” технологии, H2 – в чиста форма или в смес с метан. Чистият зелен водород като енергиен носител позволява емисиите на въглероден оксид и диоксид да бъдат намалени до нула.

Сериозен интерес от страна на потребителите предизвикват т. нар. регенеративни/рекуперативни горелки или вариантите с рециркулация на димни газове, които се основават на технология за повишаване на ефективността на горене чрез отнемане на топлина от изходящите горещи газове и използването й за повишаване на температурата на въздуха в горивния процес или за понижаване на температурата на пламъка с цел намаляване емисиите. Сред подтиповете, популярни на пазара, са и високотемпературните системи с висока скорост на пламъка, при които емисиите на азотни оксиди са ниски и следователно са по-екологично решение. По отношение на дизайна индустриалните горелки се поделят основно на такива с моноблок и дуоблок конструкция, а според работната температура – на ниско- и високотемпературни (например >750°C). Фактор за ефективността, независимо от типа на горелката, обикновено е правилното й оразмеряване.

Иновации

Актуални маркетингови проучвания прогнозират, че глобалният пазар на промишлени горелки ще нарасне от 5,8 млрд. щатски долара през 2022 г. до близо 10 млрд. долара през 2031 г. Основни фактори за динамиката на пазара според анализаторите са местните изисквания по отношение на емисиите. В ЕС са в сила стриктни регулации по отношение на горивното оборудване в индустриални процеси, като Директивата за промишлени емисии е основен законодателен акт за справяне с промишленото замърсяване.

При технологично и конструктивно подобряване на показателите на съвременните горелки обикновено се следва принципа за идентифициране на методи и стратегии за намаляване на вредните емисии, без това да коства вече постигнатата чрез съответния дизайн висока ефективност. Един от подходите за оптимизиране на работата на индустриалните горелки в експлоатация е тяхната модернизация, която обикновено включва подмяна на остарели или амортизирани компоненти с нови, добавяне на специални системи за контрол на емисиите, дигитално управление и т. н.

Усъвършенстваното управление способства за прецизен контрол на възпламеняването и мощността, поддържане на стабилен пламък и плавно, безпроблемно модулиране. Нереалистично е, разбира се, да се интегрират модерни контролни системи в стари горелки и да се очаква забележително повишаване на ефективността в комбинация с понижаване на емисиите. Ето защо, с оглед на дългосрочните ползи и наличния бюджет, е препоръчително винаги първо да се обмисля инвестиция в ново оборудване пред влагане на средства в частично модернизиране на остарялото.

Сред иновациите, които неминуемо повлияват хода на технологичния прогрес и при горивното оборудване, наред с редица други сегменти на промишлената техника, са индустриалните IoT платформи. Интегрирането на сензори, интелигентни, софтуерно опосредствани комуникационни функции и възможности за интернет свързаност в горелките позволява не само стриктното им локално и отдалечено управление, но и новаторски практики, като прогнозната поддръжка. Тя елиминира риска от неефективна работа или отклонение от допустимите нива на емисии вследствие например на неизправен или наближаващ края на сервизния си живот компонент.

Чрез дистанционен мониторинг операторите на горелки могат да наблюдават състоянието и ефективността им, дори без физически да присъстват в обекта, а управлението на горивните инсталации все по-често се извършва посредством мобилни или уеб базирани приложения от смартфони, таблети и лаптопи в отдалечена точка. При влошаване на експлоатационните показатели, понижаване на ефективността или превишаване на емисионните нива потребителите могат да бъдат незабавно известени от системата, както и да предприемат дистанционни мерки за отстраняване на проблема.

Горелките на природен газ традиционно са сред най-ефективните (процесно и разходно) и екологично пригодни варианти за индустриални приложения, в комбинация със сравнително лесна поддръжка. Ето защо съществени научноизследователски и развойни усилия се влагат именно в този сегмент с цел допълнително усъвършенстване на предимствата им. Основно поле на иновационна дейност са т. нар. BMS системи за управление на горивния процес, които гарантират оптимална ефективност и безопасност чрез гъвкаво автоматично регулиране на работните параметри.

В конструктивно направление се изследват различни комбинации от няколко основни параметъра при горелките с вихров пламък – дебит и ъгъл/наклон на потока, височина на подаване на горивото/горивната смес и степен на откритост на пламъка. Основната цел е постигане на оптимална комбинация от топлинна ефективност и ниски емисии – подобряване се отчита например при по-голям ъгъл на наклон на потока и по-голяма височина на подаване. Сред подходите за повишаване на ефективността е и проектиране на горивната система така, че да е налице по-малко излишък на кислород в процеса или с други думи да се намали количеството кислород във входящия въздушен поток, което не се използва по време на горенето.

Популярна тенденция в индустрията и енергетиката в синхрон с целите за декарбонизация е използването на т. нар. зелен мазут, получен чрез използването на възобновяема енергия в процеса на производство. Все повече производители на горелки за различни сектори и приложения инвестират усилено в разработването на високоефективни системи, работещи с такова гориво.

Стратегии за понижаване на емисиите

Наред с дизайна на горелките през последните години непрекъснато се развиват и методите и технологиите за управление на горивния процес. Все по-търсени стават комбинираните системи за цялостен мениджмънт на горивни инсталации, които включват PLC базиран (програмируем логически) контролер, функции за автоматично регулиране на работните параметри, функции за безопасност, свързаност и комуникационно обезпечаване в рамките на единна софтуерна платформа или дори в едно компактно устройство.

Широка популярност през последните години добива т. нар. FGR метод (за рециркулация на димните газове), при който част от отработените газове се подават в зоната на пламъка, за да понижат частично температурата му и вследствие – азотните емисии. FGR се препоръчва за съоръжения и предприятия, които се опитват да постигнат ниско ниво на емисии на NOx (например под 30 ppm или под 9 ppm). В каква степен е необходимо да се приложи методът зависи от конкретното изискване относно емисиите. Колкото по-ниски стойности се целят, толкова по-интензивна рециркулация е необходимо да се осъществи. Обикновено за емисии от 30 ppm са необходими 15 до 20% рециркулация, а за емисии от 9 ppm – 20 - 25% FGR. Процесът прецизно се контролира посредством специални клапани и измервателни уреди.

В някои сценарии при прилагането на FGR ефективността на горивната система може да се понижи, като е добре всеки компромис в това направление да се оценява на база потенциалните ползи по отношение на емисиите и общата оперативна и разходна ефективност на системата.

Друга стратегия, която се налага по-масово в практиката през последното десетилетие, е повърхностното стабилизиране на пламъка, но не чрез традиционен дифузьор, а чрез иновативен материал под формата на метална нишка (metal-fiber technology). В процеса горивото и въздухът предварително се смесват, а чрез нишката се постига своеобразно разтягане или разпъване на пламъка, което елиминира зоните с много по-висока температура и редуцира топлинно индуцираното образуване на азотни оксиди. Технологията става все по-атрактивна за потребителите и се прилага от редица големи производители на промишлени горелки.

Горелките от този тип обикновено изискват по-голямо количество “излишен” въздух или кислород, който не се употребява в горивния процес, за да се постигнат по-ниски нива на азотни оксиди. За да се постигнат едноцифрени стойности на емисиите с този дизайн обикновено са необходими 50 - 60% излишък на въздух в гориво-въздушната смес (при стандартните горелки традиционно се използват около 4 - 6%). Този подход, макар и ефикасен, не изглежда да носи потенциал да измести рециркулацията на димни газове от класацията на най-прилаганите методи за понижаване на емисиите поради компромисите с ефективността, смятат експертите. В системите от следващо технологично поколение, при които фокусът ще е именно върху ултраниските емисии, се очаква двата метода все по-широко да се комбинират с цел постигане на още по-добра комбинация от нискоемисионна и високоефективна работа. Сред стратегиите, които са се доказали като успешни, са предварителното смесване на горивото и въздуха, въвеждането на поетапно подаване на горивото, вътрешна и външна рециркулация на димните газове, дигитално управление и др.