KYSLÍK JAKO KLÍČ K POSTUPNÉ DEKARBONIZACI VYSOKOTEPLOTNÍCH PROCESŮ

Současný evropský průmysl čelí neustále se zpřísňující legislativě, jejíž prostřednictvím má být postupně dosaženo až jeho uhlíkové neutrality. Mnoho společností je proto nuceno plánovat a zavádět změny ve svých technologický procesech tak, aby dokázaly emisní cíle splnit.

U energeticky náročných vysokoteplotních procesů, jako je například tavení vsázky či ohřev materiálů v hutním, strojním, sklářském a vápenicko-cementářském průmyslu, se z hlediska budoucích dekarbonizačních opatření počítá s elektrifikací těchto procesů, zvyšováním podílu nízkouhlíkových paliv a zachytáváním a následným ukládáním/recyklováním CO₂. Tyto technologie jsou velmi nákladné na realizaci a často vyžadují komplexní až úplnou záměnu koncepce celého procesu. To může být problém u zařízení a výrobních linek, které jsou z hlediska návratností investic nezřídka kdy konstruovány až na desítky let nepřetržitého provozu.

Naproti těmto technologiím, jejichž postupné zavádění lze očekávat v následujících dekádách, je možné už dnes zavádět opatření, která významně snižují množství emisí CO2 bez nutnosti kompletní změny technologie a značných investic. U vysokoteplotních spalovacích procesů je možné uvažovat o kyslíko-palivových technologiích, které při vhodné aplikaci dokážou prokazatelně snížit emise CO₂ v rozmezí 30 až 60 %. Tyto technologie jsou prověřené desítkami let zkušeností a ve většině případů jednoduše implementovatelné do stávajících spalovacích procesů.  

Obr. 1: Kyslíko-palivový hořák

Kyslíko-palivový spalovací proces

Kyslíko-palivovým procesem rozumíme takový spalovací proces kdy do něj procesu vstupuje spolu s palivem okysličovadlo ve formě čistého kyslíku nebo směsi spalovacího vzduchu s kyslíkem.

Snížením koncentrace, případně úplnou eliminací balastního dusíku ve spalovacím vzduchu dojde k nárůstu účinnosti vysokoteplotního spalovacího procesu, jehož důsledkem je úspora paliva a tím snížení přímých emisí CO₂. U vhodně nastaveného procesu pak dochází vlivem úspory paliva i ke značné ekonomické úspoře.

Na obr. 1 je jsou vyneseny křivky závislosti účinnosti spalovacího procesu na teplotě okysličovadla a koncentraci kyslíku v něm. Graf byl sestrojen na základě měření provedených na ohřívací peci ocelových hutních polotovarů spalující zemní plyn, s konstantním přebytkem spalovacího vzduchu λ = 1,1 a teplotou procesu 1200 °C. Pro křivku „21 %“ platí, že se jedná o standardní spalovací vzduch a pro křivku „100 %“ o technicky čistý kyslík. Ostatní křivky mezi těmito hladinami pak představují kyslíkem obohacený spalovací vzduch.

Z grafu je patrné, že účinnost spalovacího procesu roste s teplotou předehřátí okysličovadla a zároveň také s koncentrací kyslíku v něm. Gradient přímek naznačuje, že s rostoucí koncentrací kyslíku se vliv předehřátí okysličovadla snižuje.

Pro zjednodušení nyní předpokládejme teplotu zdrojového spalovacího vzduchu a kyslíku jako 0 °C. Z obr. 2 je patrné, že pokud bychom pro tento proces využili spalovací vzduch bez předehřevu, dosáhli bychom účinnosti spalovacího procesu přibližně 42 %. V praxi se proto využívá předehřevu spalovacího vzduchu ve výměnících tepla. Obvykle v našem případě ohřívací pece jedná o centrální rekuperátor, který je schopen předehřívat spalovací vzduch přibližně na 400 °C. Vidíme, že takovýmto opatřením dosáhneme zvýšení účinnosti přibližně na 57 %. Pokud bychom se zároveň rozhodli i obohatit spalovací vzduch kyslíkem na 23 %, zvýšíme účinnost až na 60 %. Pokud bychom se rozhodli využívat místo spalovacího vzduchu technicky čistý kyslík, dosáhneme účinnosti přibližně 80 %. Předehřev kyslíku se v praxi běžně nevyužívá, pouze u speciálních aplikací. Samozřejmě účinnost není jediný ukazatel, na který se z hlediska volby režimu ohřevu díváme. Důležitým hlediskem je samozřejmě ekonomika, kterou výhradně ovlivňují ceny paliva, kyslíku a spalovacího vzduchu.

 Obr. 2: Srovnání účinností spalovacího procesu v závislosti na předehřátí okysličovadla. [1]  

Jak již bylo zmíněno, nárůst účinnosti je způsoben hlavně eliminací dusíku. U vysokoteplotních procesů je dominantním mechanismem přenosu tepla záření, jelikož zářivý tepelný tok roste podle Stefan-Boltzmannova zákona se čtvrtou mocninou termodynamické teploty spalin. Skutečnost znázorňuje obr. 3, kde jsou zobrazeny tepelné toky při vnějším přestupu tepla v závislosti na teplotě spalin. Jedno a dvou atomové plyny jako N₂ a O₂ jsou průteplivé (diatermní) pro tepelné záření a nepodílí se na zářivém tepelném toku.

Z obrázku 3 je je patrné, že konvekce je dominantním mechanismem přenosu tepla pouze do teploty cca 600 °C [2]. U spalovacích procesů pod touto teplotou zpravidla není výhodné uvažovat o kyslíko-palivových technologiích. Do procesních teplot, řekněme 1000 °C, stále hraje významnou roli přenos tepla konvekcí (prouděním). V tomto případě se nám vyšší objem spalin v důsledku přítomnosti dusíku hodí a je výhodnější zvolit kyslíkem obohaceném spalování namísto úplného nahrazení spalovacího vzduchu kyslíkem.

  Obr. 3:  Srovnání režimů přenosu tepla v závislosti na procesní teplotě. [2] 

Spalovací procesy a zařízení je z hlediska aplikace a implementace technologie nutné posoudit individuálně, ale obecně se dá říct, že výsledky budou tím lepší čím:

• bude vyšší procesní teplota a teplota odcházejících spalin; a
• bude nižší stupeň rekuperace odpadní energie.

Nejlepších výsledků je tedy dosahováno například na agregátech, kde není možné efektivně zpětně využívat odcházející tepelnou energii ve spalinových výměnících a účinnost spalování je tedy poměrně nízká.

Zvýšení účinnosti spalovacího procesu s sebou přináší i další benefity jako například zrychlení procesu ohřevu/tavby apod. a tedy zvýšení výrobní kapacity zařízení.

technické řešení

Technické řešení se liší v závislosti na parametrech procesu a cílového zařízení a také na očekávaných výsledcích. V praxi se pak může jednat o kompletní výměnu hořákového systému nebo jeho dostrojení potřebným vybavením.

Hořáky je možné konstruovat na základě požadavků procesů jako plně kyslíko-palivové nebo vzducho-kyslíko-palivové s vysokým regulačním poměrem a požadovaným tvarem plamene. Hořáky je možné navrhnout na jakékoliv plynné palivo včetně hutních plynů a vodíku a také na topné oleje a velmi znečištěná kapalná paliva až do frakce nečistot 4 mm. Oproti vzducho-palivovým systémům se zpravidla jedná o menší komponenty a dají se jednoduše přizpůsobit jejich stavební délky a připojovací rozměry. Hořáky mohou být osazeny keramickými tvarovkami, aby v případě potřeby mohlo dojít k jejich výměně během provozu (například v náročných aplikacích ve sklářském průmyslu). Za účelem minimalizace tvorby NO_x je možné hořáky konstruovat se stupňovitým přívodem paliva a okysličovadla a provozovat je také v „bezplamenném“ režimu (viz obr. 4).

Obr.4:  Hořák Messer “SplitOx“. 

Hořák Messer SplitOx je schopen spalovat palivo ve dvou režimech. V klasickém režimu s viditelným plamenem, například v době, kdy pracovní prostor pece je stále studený. V okamžiku, kdy pracovní prostor dosáhne teploty samovznícení použité směsi paliva a okysličovadla, přechází hořák do „bezplamenného“ režimu a palivová směs se spaluje v celém objemu pracovního prostoru pece. Na obr. 5 je pak možné vidět kyslíko-palivový hořák se stupňovitým přívodem paliva pracovat ve třech režimech: a) ve studené pece ve standardním režimu; b) v peci při 900 °C ve standardním režimu; c) v peci při 900 °C v „bezplamenném režimu“. V případě c) je možné vidět, že plamen již není opticky viditelný a spalování směsi probíhá v celém objemu pecního prostoru a dochází tedy k omezení teplotních špiček v plameni a potlačení vhodných podmínek pro tvorbu termických NO_x.

 Obr.5:  Režimy hoření hořáku SplitOx. 

závěr

Kyslíko-palivové procesy jsou efektivním a dlouhodobě prověřeným řešením, které může pomoci dosáhnout současných dekarbonizačních cílů díky potenciálů přímé redukce emisí CO₂ až 60 %. Při vhodné aplikaci dojde kromě úspory emisí také k celkovým úsporám nákladů na provoz. Aplikace je možná u vysokoteplotních procesů napříč všemi průmyslovými odvětvími a vyžaduje individuální posouzení. Společnost Messer nabízí také ostré provozní zkoušky kyslíko-palivových technologií aplikovaných na provozovaných zařízeních zákazníka. Disponujeme značným množstvím hardware, který je možné pro potřeby zkoušek zapůjčit. Zkoušky pak poskytnou neocenitelná data pro návrh řešení a také pomohou vybudovat důvěru v kyslíko-palivové technologie a společnost Messer jako dodavatele řešení.

Pro více informací kontaktujte:
Ing. Lukáš Lasota
aplikační inženýr pro vysokoteplotní procesy
E-mail: lukas.lasota@messergroup.com
http://www.messer.cz

Zdroje

[1] LASOTA, Lukáš. Směs vodíku se zemním plynem jako palivo pro vysokoteplotní procesy. PLYN. 2023, roč. CIII, č. 4, s. 141-149. ISSN 0032-1761.

[2] TRINKS, W. Industrial furnaces. 6th Edition. Hoboken, New Jersey: Jon Wiley & Sons, Inc.; 2004.