← zpět na výzkumné projekty

Většina průmyslových aplikací (ohřev a tavení kovů, tavení mienrálů, spalování komunálního odpadu, atd.) používá při spalování jako oxidační činidlo atmosférický vzduch obsahující přibližně 21% kyslíku a 79% dusíku, z nichž pouze kyslík je potřeba k hoření a přítomný dusík zde tvoří pouze balast a neúčastní se chemických reakcí s molekulami paliva. I přes tuto skutečnost je ale nutné dusík a oxidy dusíku vzniklé během spalování a tvořící podstatnou část objemu spalin ohřát na výstupní teplotu. V důsledku toho značné množství vzniklého tepla odchází spalinami pryč ze spalovacího prostoru a tím je snížena účinnost procesu. Intenzifikace procesu lze dosáhnout tehdy, pokud je jako oxidační činidlo použit vzduch s koncentrací kyslíku vyšší než 21%. Tato technologie je označována v anglické terminologii jako „oxygen-enhanced combustion“, zkráceně OEC. Krajním případem této metody je úplná náhrada vzduchu vysoce čistým kyslíkem (90 až 99,9+ O₂). Pak se jedná o tzv. „oxy/fuel combustion“.

Částečná nebo úplná náhrada spalovacího vzduchu vysoce čistým kyslíkem přináší celou řadu výhod. První podstatnou výhodou je zvýšení adiabatické teploty plamene, s čímž souvisí zvýšení radiace z plamene do zpracovávaného materiálu v důsledku vyšší koncentrace CO₂ a H₂O. To má pak za následek zvýšenou produktivitu, neboť větší množství materiálu může být zpracováno systémem za jednotku času. Další nespornou výhodou OEC je úspora paliva, neboť při redukci nebo eliminaci dusíku obsaženém ve spalovacím vzduchu není vynaloženo tolik energie na jeho ohřev jako při spalování atmosférickým vzduchem. Proto je zapotřebí méně paliva na výrobu nebo zpracování jednotky materiálu. Uvádí se, že aplikací OEC je možné ušetřit až 60 % paliva. Další výhody OEC zahrnují redukci objemu vzniklých emisí, zlepšenou kvalitu produktů (např. sklo bez bublinek, méně vadných produktů) a v neposlední řadě lepší charakteristiky plamene (vyšší regulační rozsah hořáku, zvýšená stabilita plamene, lepší zapalitelnost a kontrola nad tvarem plamene).

Jako každá jiná technologie i OEC přináší s sebou určité nevýhody, které jsou především přisuzovány zvýšené intenzitě spalování. Nevýhody zahrnují např. nebezpečí poškození vnitřní vyzdívky pece (přehřátím nebo korozí) a nerovnoměrnost tepelného toku v případě přestavby stávajícího systému na OEC. Největší nevýhodou OEC je zvýšení tvorby emisí oxidů dusíku NO_x při malém zvýšení koncentrace kyslíku ve vzduchu v důsledku rostoucí teploty v plameni urychlující tvorbu NO_x. Avšak při dalším zvýšení koncentrace kyslíku klesá i koncentrace dusíku ve vzduchu a následně tím i tvorba NO_x.

Metody využívané v oblasti OEC

A. „Obohacování“ spalovacího vzduchu kyslíkem

Tato metoda se vyznačuje relativně malými a nenákladnými zásahy do konstrukce stávajících systémů spalování. Kyslík je vstřikován do proudu přiváděného spalovacího vzduchu před vstupem do hořáku přes difuzor, aby bylo zajištěno dostatečné promíchávání. Tedy jedná se o vytvoření směsi vzduch-kyslík. Přidaný kyslík obvykle plamen zkrátí a zintensivní. Avšak v případě, že by bylo přidáno příliš velké množství kyslíku, plamen by se nepřijatelně zkrátil a vysoké teploty by zpříčinily poškození hořákového kamene nebo i dokonce celého hořáku.

B. Nástřik kyslíku do plamene vzduch/palivo

Metoda nástřiku kyslíku do plamene se vyznačuje nižšími emisemi NO_x a několika výhodami v porovnání s předchozí metodou. Je to dáno tím, že nástřik představuje formu stupňovitého přívodu okysličovadla, což je jedna z technik pro potlačení tvorby NO_x. V závislosti na místě nástřiku může být regulována délka plamene a rovnoměrnost tepelného rozložení, čímž se lze vyvarovat přehřátí a poškození hořáku, hořákového kamene a vyzdívky pece. Místo nástřiku je obvykle lokalizováno mezi hořákem a zpracovávaným materiálem.

C. Náhrada spalovacího vzduchu vysoce čistým kyslíkem

V této metodě je spalovací vzduch plně nahrazen vysoce čistým kyslíkem. Z bezpečnostních důvodů kvůli vysoké reaktivitě kyslíku a hrozící explozi je palivo s kyslíkem smícháno až v samotném ústí hořáku. Tento způsob spalování má největší potenciál ze všech uvedených metod pro celkové zlepšení procesu, úsporu paliva a potlačení tvorby emisí, avšak vyznačuje se nejvyššímu provozními náklady.

D. Samostatný přívod spalovacího vzduchu a kyslíku do hořáku

Poslední metoda představuje kombinované spalování se vzduchem a kyslíkem. Tento systém spalování je obvykle aplikován u dvoupalivových hořáků, které obvykle spalují olej jako kapalné palivo a zemní plyn jako plynné palivo. U těchto hořáku je pak snadné vyjmout přívodní olejovou trubku vedoucí středem hořáku a nahradit ji trubkou pro přívod kyslíku, k čemuž není zapotřebí vynaložit velké finanční prostředky. Typicky je u této metody množství přiváděného kyslíku vyšší než v případě metody „obohacení“ spalovacího vzduchu kyslíkem. Regulací množství kyslíku v procesu je pak možné přizpůsobit tvar plamene a rozložení uvolněného tepla přímo na míru pro konkrétní aplikaci.

Cíle projektu a navrhované postupy řešení

1. Počítačové modelování OEC výše uvedenými metodami A až D užitím metod CFD.
2. Experimentální výzkum spalování zemního plynu metodami A až D pro vybrané provozní podmínky na základě výsledků z počítačových simulací.
3. Analýza získaných výsledků s návazným doporučením pro praktické aplikace a tvorba modelů empirických závislostí.

Řešitel projektu

• Vysoké učení technické v Brně – Ústav procesního inženýrství (FSI)

Trvání projektu

• 01/2012 – 12/2014

Koordinátor projektu

Ing. Petr Bělohradský, Ph.D., email: belohradsky@fme.vutbr.cz