Niejednokrotnie w przemyśle – ale i nie tylko – mamy do czynienia z procesami termicznymi wykorzystywanymi w procesach technologicznych. Jednym ze sposobów wytwarzania energii cieplnej jest spalanie. W czasach coraz bardziej restrykcyjnego prawa energetycznego, odpowiednio dobrane parametry to podstawa dla poprawnego procesu spalania. Kontrola tegoż procesu to również wymogi ochrony środowiska oraz potrzeba oszczędnego wykorzystywania paliw i energii. W poniższym artykule przedstawimy problematykę związaną z odpowiednim doborem parametrów spalania oraz urządzenia, za pomocą których możemy takich czynności dokonywać.
SPALANIE – TROCHĘ TEORII
Istota procesu spalania polega na gwałtownie przebiegającej, egzotermicznej reakcji chemicznej materiału zwanego paliwem z tlenem. Reakcja ta zawsze połączona jest z efektem cieplnym oraz równie często z efektem świetlnym (płomień). Mechanizm spalania zależy przede wszystkim od stanu skupienia ciał reagujących oraz od warunków aeromechanicznych w jakich ten proces zachodzi. Substancje wyprowadzone z komory paleniskowej po spaleniu nazywamy produktami spalania lub spalinami. Spalanie nazywa się zupełnym jeżeli w produktach spalania nie ma gazowych części palnych np. CO, H2, CH4. Spalanie nazywa się całkowitym jeżeli w produktach spalania nie ma stałych części palnych. W procesie spalania wykorzystujemy różnego rodzaju paliwa – gazowe, ciekłe oraz stałe.
W zależności od rodzaju spalanego paliwa oraz ilości powietrza dostarczonego podczas procesu spalania, skład chemiczny spalin jest różny. Podstawą regulacji procesów spalania jest analiza spalin. Do tego celu służą różnego typu analizatory spalin jak np. ecom-J2KNpro. W spalinach znajduje się szereg produktów spalania, których ilość możemy zmierzyć, a w oparciu o wyniki przeprowadzać kontrolę/korektę parametrów spalania.
ANALIZA SPALIN
Na podstawie analizy spalin w przystępny sposób możemy dokonywać oceny parametrów spalania oraz bieżącej korekty składu mieszanki powietrzno-paliwowej. Analizatory takie jak ecom-EN3 dają możliwość pomiarów stężenia związków chemicznych w spalinach, wyliczają parametry takie jak współczynnik nadmiaru powietrza, punkt rosy czy też stratę kominową oraz dają możliwość rejestracji zmierzonych parametrów.
Z punktu widzenia operatora analizatora, który ma za zadanie nadzór nad procesem spalania, ważnymi związkami są: CO2, CO, O2, NOx oraz równie często sadza. Analiza spalin polega na ustaleniu zawartości wymienionych związków w spalinach. Najczęściej stężenia powyższych gazów są podawane jako udział procentowy [%] lub jako ilość cząsteczek na milion [ppm]. Pomiary mogą być dokonywane za pomocą różnych metod. Najpopularniejsza – elektrochemiczna [EC] – jest standardem dla analizatorów firmy ecom.
Opcjonalnie można wyposażyć analizatory w sensory wykorzystujące podczerwień [NDIR] lub, jak np. w modelu analizatora ecom-J2KNpro TECH, zastosować chemiluminescencję [CLD] lub fotoakustykę [PAS].
Metody pomiarów detektorów gazowych
WSPÓŁCZYNNIK NADMIARU POWIETRZA
Jednym z bardzo ważnych parametrów procesu spalania jest współczynnik nadmiaru powietrza λ (lambda). Współczynnik ten określa stosunek faktycznie dostarczonej do spalania ilości (objętości) powietrza, do ilości powietrza teoretycznie potrzebnej do całkowitego i zupełnego spalenia paliwa zawartego w mieszance palnej.
gdzie:
L – ilość powietrza dostarczanego
Lt – ilość teoretycznie potrzebnego powietrza do całkowitego i zupełnego spalenia paliwa zawartego w mieszance palnej
λ = 1 – skład stechiometryczny
λ > 1 – mieszanka uboga
λ < 1 – mieszanka bogata
W przypadku idealnym (stechiometrycznym) λ = 1, co oznacza, że do spalania wykorzystano dokładnie taką ilość powietrza (tlenu) jaka jest potrzebna do spalenia całego paliwa. W rzeczywistości taka sytuacja nie ma miejsca, gdyż powietrze i paliwo zawierają dodatkowe związki, które podczas spalania łączą się z tlenem.
W przypadku mieszanki bogatej, w spalinach pojawiają się gazy toksyczne – tlenek węgla (CO), tlenek azotu (NO), czy dwutlenek siarki (SO2). Aby spalić całe paliwo oraz aby spaliny zawierały mniejsza ilość szkodliwych związków, należy dostarczyć więcej tlenu. W tym przypadku współczynnik nadmiaru będzie większy od jedności (λ > 1 – mieszanka uboga). Badając zawartość tlenu w spalinach wcześniejszy wzór możemy zastąpić wzorem:
Na pomoc przychodzą nam analizatory spalin firmy ecom, które wyliczają ten współczynnik w czasie rzeczywistym na podstawie mierzonych parametrów, co ułatwia bieżącą kontrolę i korektę parametrów procesu spalania.
Współczynnik nadmiaru powietrza ma duży wpływ na temperaturę spalania, co przekłada się na ilość zużytego paliwa. Im współczynnik nadmiaru powietrza wyższy, tym niższa temperatura spalania. W tabeli 1 przedstawiono powyższą zależność w oparciu o spalanie gazu ziemnego E.
Tabela 1. Wpływ współczynnika nadmiaru powietrza na temperaturę spalania gazu ziemnego E
JAKOŚĆ PALIW A ILOŚĆ ENERGII CIEPLNEJ
Nawiązując do artykułu mgr inż. Zygmunta Pachole „Wzrost zużycia gazu w procesie odlewniczym spowodowany obniżeniem wartości opałowej”1 możemy zauważyć jak bardzo duży wpływ ma jakość paliwa na cały proces spalania i uzyskiwanie z tego procesu energii cieplnej. Jak opisuje autor, od składu paliwa – gazu zależą istotne parametry mające wpływ na sprawność przemiany energii chemicznej na cieplną. Niższa temperatura spalania nie jest obojętna dla metalurgicznych procesów odlewniczych czy hutniczych. Wysoka temperatura w tych procesach jest niezbędna. Wyższa temperatura płomienia powoduje zwiększenie zdolności płomienia do oddawania ciepła. Znacząco wpływa to na wielkość strumienia energii przekazywanej przez promieniowanie.
Udział zawartych w paliwie składników niepalnych (zanieczyszczeń) zwłaszcza azotu N2 nie pozostaje tutaj bez znaczenia. Stanowią one balast, który obniża kalorymetryczną temperaturę spalania! Zawarty w mieszance paliwowo-powietrznej azot atmosferyczny ma jeszcze większy wpływ na zmniejszenie efektywności procesu cieplnego. Spaliny nadmiernie rozcieńczone azotem atmosferycznym (czyli duże λ) powodują obniżenie temperatury płomienia powstającego w palniku. Rosną wtedy straty kominowe, które znacznie przekraczające energię użyteczną.
Dobór parametrów spalania
„Nawet niewielkie, zwyczajowo pomijalne w zestawieniach miesięcznych, okresowe zmniejszenie wartości opałowej gazu spowodowane zmniejszeniem udziału składników palnych, generuje łańcuch przyczynowo-skutkowych zdarzeń, których końcowym efektem jest zmniejszenie efektywności energetycznej i sprawności, jako iloraz (wykładniczo) zmniejszonego strumienia energii użytkowej do energii pierwotnej.
Sprawności energetycznej nie należy utożsamiać z efektywnością energetyczną.
gdzie:
Eu – energia użyteczna,
Ep – energia pierwotna.
Aby uniknąć wydłużenia czasu procesu cieplnego, koniecznym staje się zwiększenie mocy palnika. W przypadkach skrajnych osiągnięcie odpowiedniej mocy, a także odpowiednio wysokiej temperatury płomienia, staje się niemożliwe ze względu na trudny lub niemożliwy do zmiany zespół cech konstrukcyjnych urządzeń technicznych, takich jak palnik, palenisko, kanały spalinowe”.2
Widać zatem jak ważna jest również jakość paliw (gazu) w ekonomicznym podejściu do procesu spalania. Niestety nie mamy wpływu na bieżącą jakość, a koszty monitorowania bieżącego składu gazu są bardzo wysokie. Właśnie dlatego monitorując skład spalin za pomocą analizatorów jesteśmy w stanie kontrolować proces spalania, przy dużo niższym nakładzie finansowym.
Tabela 2. Przebieg zjawiska deflacji energii
* Maksymalny dopuszczalny spadek wartości opałowej gazu zgodnie z IRiESP
** Maksymalny dopuszczalny spadek wartości opałowej gazu wg PN-C-04753
SPALANIE A EKOLOGIA
Od początków rewolucji przemysłowej Europy głównym źródłem energii dla przemysłu i energetyki był węgiel kamienny. W związku z tym produkcja zanieczyszczeń przez człowieka to tradycja sięgająca kilku wieków. Z uwagi na wysoką emisję CO2, spalanie węgla uważane jest za najmniej ekologiczną technologię produkcji energii. Nie zmienia to faktu, że spalanie innych paliw również powoduje emisję szkodliwych związków. Kolejny szkodliwy związek powstający w procesie spalania to tlenek węgla (CO). Głównym jego źródłem jest niepełne spalanie paliw (λ < 1), szczególnie węgla. Obok dwutlenku i tlenku węgla najczęstszymi zanieczyszczeniami w Polsce to także związki siarki i azotu oraz drobne pyły. Przy wysokiej temperaturze spalania paliw zachodzi częściowe utlenienie azotu z powietrza i azotu z paliwa, a w jego wyniku tworzenie się także tlenków azotu. Tlenki azotu (NOx) nawet w minimalnych stężeniach w powietrzu działają drażniąco na organy układu oddechowego, niszczą urządzenia i materiały, przyczyniają się do powstawania smogów, pogarszają widoczność i ograniczają nasłonecznienie powierzchni Ziemi. Są one szkodliwe dla organizmów żywych, co stawia je, zaraz za dwutlenkiem siarki SO2, w gronie najgroźniejszych zanieczyszczeń powietrza atmosferycznego.
Z roku na rok instytucje nadzorujące ochronę środowiska zaostrzają przepisy dotyczące emisji szkodliwych związków do środowiska. Wiele firm, aby sprostać obowiązującym przepisom, buduje różnego rodzaje instalacje jak np. instalacja odsiarczania spalin, czy też montuje specjalistyczne filtry.
Wszystko to ma za zadanie oczyszczanie spalin do poziomów akceptowalnych. Do monitorowania emisji firmy te wykorzystują przemysłowe analizatory spalin. Firma ecom oferuje również przenośne analizatory do ciągłego monitorowania emisji (jak np. ecom-J2KNpro TECH).
Analizator ecom-J2KNpro TECH
PODSUMOWANIE
Jak z powyższego artykułu wynika, wydający się z pozoru prosty proces spalania nie jest już taki prosty w praktyce. Na jakość spalania i ilość wygenerowanej energii cieplnej składa się wiele czynników, które należy kontrolować i na każdą zmianę szybko reagować.
Wszystko po to, aby proces spalania był dla użytkownika jak najbardziej wydajny i bezpieczny. Niezbędnym są przy tym analizatory spalin, które wyposażone w szereg sensorów i funkcji pomocniczych umożliwiają zarządzaniem procesem spalania, okresowymi regulacjami czy przeprowadzanie przeglądów okresowych.
Pamiętajmy, że kontrolując proces spalania należy zwrócić szczególną uwagę na współczynnik nadmiaru powietrza, który wpływa na temperaturę spalania, a co z tym związane, na zużycie paliwa czy powstawanie szkodliwych związków w spalinach. Równie dużą uwagę musimy poświęcić zawartości spalin, tak, aby nawiązując do obowiązujących norm, emitować do środowiska jak najmniej zanieczyszczeń.
Dążąc do kompromisu musimy więc tak dobierać parametry spalania, aby proces spalania był jak najbardziej bezpieczny, opłacalny pod względem ekonomicznym i przyjazny dla środowiska.
