Na przestrzeni ostatnich kilku lat kraje najbardziej zaawansowane pod względem technologicznym postawiły sobie za cel ograniczenie poziomu zanieczyszczenia środowiska naturalnego, a w szczególności atmosfery.
W zakresie spalania gazu ziemnego, ropy naftowej i oleju opałowego – wykorzystywanych zarówno do ogrzewania domów, jak i w przemyśle – pracuje się nad aparaturą, która łączy w sobie coraz wyższą wydajność i coraz lepsze osiągi z coraz mniejszymi emisjami toksycznych gazów (CO, NOx, CxHy). Wśród ważnych czynników, które doprowadziły do obrania w branży tego innowacyjnego kierunku rozwoju, należy wymienić normy produktowe przyjmowane na rynku europejskim już od kilku lat, które narzucają coraz surowsze ograniczenia dla emisji zanieczyszczeń.
W obecnej sytuacji widać wyraźnie, że raz zapoczątkowanego procesu dostosowania instalacji cieplnych do ww. standardów nie można już zatrzymać. Adaptacja, o której mowa, dokona się w krótszym lub nieco dłuższym okresie, w zależności od tego, na ile wrażliwe na problem zanieczyszczenia okażą się poszczególne kraje Unii Europejskiej. Również we Włoszech wyraźnie widać wzrastające (choć powoli) zapotrzebowanie na palniki o niskiej emisji tlenków azotu, czyli tzw. „Low NOx”.
Włoscy konstruktorzy systemów grzewczych nie mogą już patrzeć obojętnie na proces wprowadzania innowacji, jaki narzuciły normy i rynek. Aby zredukować emisję zanieczyszczeń, trzeba zatem ciągle badać nowatorskie rozwiązania techniczne, mające na celu zwiększenie wydajności instalacji cieplnych oraz zmniejszenie ilości szkodliwych czynników wytwarzanych „u źródła”, czyli w trakcie procesu spalania. Z tego względu należy rozwijać te dziedziny badań stosowanych, które mają na celu analizę, projektowanie oraz realizację innowacyjnych rozwiązań wykorzystujących najnowszy stan wiedzy w zakresie materiałów i procesów spalania oraz wymiany cieplnej.
Włoskie przedsiębiorstwo BALTUR S.p.A., z siedzibą w Cento we Włoszech, zaprojektowało i zrealizowało kompletny asortyment gazowych palników nadmuchowych, pod nazwą „Linea LX”, w celu jak największego ograniczenia emisji zanieczyszczeń, bez jednoczesnej rezygnacji z niezawodności i z osiągnięć, które od zawsze stanowią cechy wyróżniające produkty tej firmy.
Linia „LX”, obejmująca modele Sparkgas 30 LX, BGN 40 LX, BGN 60 LX, BGN 120 LX, BGN 200 LX, BGN 300 LX, BGN 390 LX oraz BGN 540 LX, oferuje zakres mocy od 60 kW do 6 MW, i została zaprojektowana, aby zagwarantować takie emisje tlenków azotu do atmosfery, które nie przekraczają 100 mg/kWh w dowolnych warunkach działania, łącznie z inwersją płomienia. Palniki z serii „LX”, umieszczone w większości kotłów o normalnych wymiarach dostępnych w handlu, spełniają surowe wymogi klasy III wg europejskiej normy EN 676, wyd. 6 z 1999 r. – limit 80 mg/kWh (< 39 ppm przy O2 = 3%).
Zanieczyszczenie tlenkami azotu
Spośród różnych postaci chemicznych tlenków azotu (NOx), tylko dwa są istotne z punktu widzenia zanieczyszczenia atmosferycznego: tlenek azotu(II) (NO) oraz tlenek azotu(IV) (NO2). Tlenek azotu(II) (NO) jest gazem bezbarwnym i bezwonnym; nie jest szczególnie trujący, w przeciwieństwie do tlenku węgla, i produkują nawet w małych ilościach niektóre części organizmu. Mózg używa tego związku do przesyłania impulsów nerwowych, a układ odpornościowy – do usuwania bakterii, które wyłapuje. NO rozluźnia też mięśnie otaczające naczynia krwionośne, powodując rozszerzenie tych ostatnich: w 1992 r. przeprowadzono w związku z tym badania oceniające potencjał opisywanego związku w zakresie leczenia impotencji u mężczyzn.
Tlenek azotu(IV) (NO2) ma z kolei barwę czerwonobrunatną i ostry, duszący zapach, który można wyczuć zmysłem powonienia w stężeniach pomiędzy 200 a 410 µg/m³. W przeciwieństwie do dwutlenku węgla, NO2 ma zdecydowanie trujące właściwości. Zarówno NO, jak i NO2 powstają w drodze reakcji z tlenem w następujący sposób:
N2 + O2= 2NO
2NO + O2= 2NO2
Jak powszechnie wiadomo, powietrze składa się w 79% z dwuatomowych cząsteczek azotu (N2), a w 21% – z dwuatomowych cząsteczek tlenu (O2). W normalnych temperaturach tlen i azot reagują ze sobą w bardzo niewielkim stopniu, a zatem ww. reakcje nie zachodzą. Tylko podczas spalania, czyli procesu, w którym temperatury sięgają ponad 1100°C, ma miejsce szybkie wytwarzanie NO w drodze pierwszej z opisanych reakcji, natomiast druga reakcja nie daje zazwyczaj więcej niż 0,5% NO2.
Tlenek azotu (IV) (NO2), poza tym, że posiada silnie trujące właściwości opisane poniżej, może ulec utlenieniu do kwasu azotowego(V) w następującym procesie:
NO2 + OH = HNO3
gdzie rodnik wodorotlenowy OH powstaje w drodze fotolizy ozonu.
Kwas azotowy jest raczej lotny, a ponadto ulega łatwo rozpuszczeniu w chmurach i w deszczu, który staje się przez to kwaśny.
Związki NOx występujące w powietrzu pochodzą zarówno ze źródeł naturalnych, jak i z działalności ludzkiej. W tym ostatnim przypadku powstają w wyniku spalania paliw kopalnych, zachodzącego w źródłach stacjonarnych (elektrociepłownie i systemy grzewcze) oraz ruchomych (pojazdy napędzane silnikami spalinowymi). Źródła ludzkie, w przeciwieństwie do naturalnych, występują zazwyczaj w skupieniu na określonych obszarach, gdzie może w związku z tym stwierdzić znaczne nagromadzenie NOx.
W skali kraju pojazdy samochodowe odpowiadają za prawie 50% emisji NOx (Rys. 1), przy czym mniej więcej w połowie odpowiadają za to pojazdy napędzane benzyną, a w połowie te z silnikiem Diesla; następne w kolejności są elektrociepłownie, inne branże przemysłu, a na koniec gospodarstwa domowe i sektor usług. Zgodnie z danymi agencji ds. ochrony środowiska ARPA, w latach 1980–1991 roczne emisje NOx we Włoszech zwiększyły się o ok. 1¼ , a później ponownie spadły w roku 1999. Wg Światowej Organizacji Zdrowia długoterminowe monitorowanie pokazało na całym świecie wzrost stężeń w obszarach miejskich.
Rys. 1 – Źródła emisji NOx we Włoszech w 1999 r.
Stężenia NO2 charakteryzuje duża zmienność: ogólnie rzecz biorąc, istnieje poziom podstawowy, od którego odbiegają szczytowe wartości stężenia. Poziomy podstawowe, które można uznać za naturalne, mieszczą się w przedziale 0,4÷9,4 µg/m³.
Poziom zanieczyszczenia w miastach zmienia się w zależności od godziny, pory roku (ze względu na użycie instalacji grzewczych) oraz warunków pogodowych. Charakterystyczne są wartości szczytowe odpowiadające godzinom szczytu w ruchu samochodowym. Średnia roczna danych z różnych miast świata mieści się w zakresie od 20 do 90 µg/m³, przy czym wartości dzienne sięgały 400 µg/m³, a szczytowe wartości godzinne – do 850 µg/m³. Stężenia NO2 w lokalach mieszkalnych mogą być znacznie wyższe niż na zewnątrz ze względu na urządzenia AGD bez odciągów (takie jak kuchenki gazowe, grzejniki naftowe lub piece opalane drewnem), kominki lub dym papierosowy. W takich przypadkach stężenia mogą czasami przekraczać 200 µg/m³ przez kilka dni z rzędu. Stężenie godzinne w kuchniach podczas przygotowywania posiłków wynosiło od 470 do 2000 µg/m³, z wartościami szczytowymi do 4000 µg/m³. Obraz emisji tlenków azotu uzupełniają dane dotyczące dymu papierosowego, który może zawierać stężenia NO w wysokości 200 mg/m³ oraz mniejsze stężenia NO2.
Wpływ tlenków azotu na zdrowie człowieka
Ze względu na to, że NOx to związki gazowe, na działanie tych substancji można narazić się właściwie tylko przez wdychanie.
Jak już zauważono, NO2 jest ok. 4 razy bardziej trujący od NO. Jeżeli chodzi o ten ostatni, przy normalnych stężeniach spotykanych w środowisku nie odnotowano podrażnienia ani innych skutków zdrowotnych.
Ilość wchłoniętego NO2 może odpowiadać 80–90% ilości wdychanej. Znaczny odsetek znaleźć można przy tym w rejonie nosa i gardła.
Wydawałoby się jednak, że największe stężenia występują na styku dróg oddechowych i narządów wymiany gazowej, o czym świadczy fakt, że u licznych gatunków zwierząt w tym miejscu stwierdza się typowe uszkodzenia morfometryczne. Badania doświadczalne wykazały, że NO2 lub jego metabolity mogą pozostawać w płucach przez długi czas. Po wystawieniu na działanie NO2 stwierdzano we krwi i w moczu kwas azotowy(V) (HNO3), kwas azotowy(III) (HNO2) oraz ich sole.
Poważniejszym skutkiem powodowanym wysokimi stężeniami NO2 jest obrzęk płuc, który prowadzi z kolei do zmian enzymatycznych, a także do zmian w zawartości lipidów, stwierdzanych często w płucach.
Metody ograniczania NOx ze spalania
Ogólnie rzecz biorąc, istnieją trzy sposoby kontrolowania emisji NOx ze spalania:
· kontrola powstawania NOx poprzez modyfikację warunków eksploatacyjnych spalania
· kontrola powstawania NOx poprzez modyfikację sprzętu
· kontrola powstawania NOx poprzez zmianę paliwa
· kontrola emisji NOx poprzez oczyszczanie gazów spalinowych (FGT, Flue Gas Treatment).
Ze względu na to, że pierwsze trzy podejścia zakładają redukcję powstawania NOx, ważne jest, aby zrozumieć podstawowe mechanizmy wytwarzania tych substancji, na podstawie których można wyodrębnić trzy modele:
:
· tlenki azotu lub termiczne NOx;
· szybkie NOx (tzw. „prompt”);
· paliwowe NOx.
Wykres 2 przedstawia procent powstających NOx w
odniesieniu do zużytego paliwa.
Wykres 2: Termiczne, szybkie i paliwowe NOx
Powstawanie NOx, które stanowią do 75% wszystkich tworzących się tlenków azotu w tym rodzaju spalania.
Termiczne NOx
Podczas gdy tak zwane szybkie NOx powstają w reakcjach pośrednich pomiędzy azotem oraz rodnikiem węglowodorowym, które zależą głównie od chemii reagentów i tylko nieznacznie zależą od temperatury, stężenie termicznych NOx wynika z połączenia, w wyniku gorąca, tlenu cząsteczkowego z azotem obecnym w atmosferze, a ich tworzenie jest spowodowane temperaturą, od której zależą wykładniczo, jak widać na Wykresie 3.
Ogromny wpływ na szybkość powstawania termicznych NOx ma
lokalna temperatura płomienia oraz, w mniejszym stopniu, lokalne stężenie tlenu, a także czas w którym reagenty N2 oraz O2 pozostają w rejonie płomienia. Prawie cała ilość NOx powstaje w rejonie płomienia, w którym jego temperatura jest najwyższa i gdzie są również największe stężenia, a mieszanka paliwo-powietrze jest nieco rozrzedzona, ponieważ w tym przypadku występuje nadmiar tlenu, który jest niezbędny do łączenia się z azotem. Należy przypomnieć, że reakcje związane z utlenianiem się paliwa pochłaniają tlen szybciej niż mechanizm powstawania termicznych NOx.
Wykres 3: Powstawanie NOx w odniesieniu do temperatury płomienia
Kontrola stosunku strumienia powietrza do paliwa (ang. fuel-air ratio) ma zatem kluczowe znaczenie dla zmniejszenia emisji. Fachowa literatura wyjaśnia, jak można wyeliminować termiczne NOx. Teoretycznie można zastosować następujące podejścia:
Ponieważ zmniejszenie stężenia azotu jest trudne, w większości metod kontroli stosuje się trzy pozostałe podejścia. Producenci palników o niskiej emisji NOx koncentrują się szczególnie na
wartościach: nadmiar powietrza i maksymalna temperatura płomienia.
Zmniejszenie nadmiaru powietrza
Jak powszechnie wiadomo, wszystkie konwencjonalne procesy spalania wymagają pewnego nadmiaru powietrza, aby zapewnić utlenienie wszystkich cząsteczek paliwa: w omawianej tu metodzie dostarcza się mniejszy niż zazwyczaj nadmiar powietrza do komory paleniskowej; wskutek tego stężenie tlenu jest niższe, co zmniejsza utlenianie się azotu do NOx.
Ograniczenia, które wyznaczają minimalny wymagany nadmiar tlenu wynikają ze wzrostu emisji tlenku węgla i dymu oraz zmniejszenia stabilności płomienia. W rezultacie, metody kontroli opierające się na redukcji nadmiaru powietrza tradycyjnie wymagają większej uwagi operatora; jeżeli ich stosowanie jest ciągłe, wymagają one nieustannego monitorowania tlenu. Powinno się również monitorować poziomy tlenku węgla oraz dokładnie sprawdzać przepływy powietrza i paliwa oraz, na samym końcu, stosować odpowiednie instrumenty do regulacji przepływów powietrza poprzez zmiany załadunku.
Są to pracochłonne metody, które jednak zwiększyły efektywność jednostki grzewczej pod względem kosztów. Ponadto umożliwiają one stosowanie wszystkich paliw kopalnych. Można je stosować jako główny system kontroli emisji NOx lub w połączeniu z innymi metodami omówionymi poniżej, np. z systemem recyrkulacji spalin (ang. exhaust gas recycling).
Recyrkulacja gazów odlotowych (ang. Flue gas recycling, FGR)
Zastosowanie FGR do kontroli NOx polega na recyrkulacji części (15÷25%) gazów odlotowych w podstawowym obszarze spalania; w szczególności gaz ten musi wejść do rejonu płomienia. Powoduje to następujące skutki, które zmniejszają ilość NOx: po pierwsze, ogrzewanie spalin w podstawowym obszarze spalania, w której część wytworzonej energii zostaje utracona, obniża maksymalną temperaturę płomienia; po drugie, w mniejszym stopniu, system FGR zmniejsza emisje NOx poprzez obniżenie ciśnienia cząstkowego, a tym samym stężenia tlenu, do którego wtłaczane są gazy spalinowe. Recyrkulowany gaz może być wstępnie mieszany z powietrzem spalania lub wprowadzany bezpośrednio do obszaru płomienia; to ostatnie rozwiązanie pozwala na bardziej dokładną kontrolę i rozkład przepływu recyrkulacji.
W nowym projekcie BALTUR „LX” zastosowano wariant tego drugiego rozwiązania: gazy spalinowe są recyrkulowane wewnętrznie do komory paleniskowej (wewnętrzna FGR). Wysoka prędkość mieszaniny przemieszczającej się w górę od dyfuzora palnika powoduje powstanie obszarów krańcowych o niskim ciśnieniu, które zasysają część gazów spalinowych w kierunku płomienia. W tej sposób operacja spalania zostaje uproszczona poprzez wyeliminowanie zewnętrznej recyrkulacji gazów odlotowych, która wymaga skomplikowanych systemów kontroli. Korzyści tej stosunkowo prostej technologii polegają na zmniejszeniu ilości powstających tlenków azotu, ponieważ:
Na ogół jednak, stosowanie FGR podlega pewnym ograniczeniom:
Plusem tej metody jest to, że maksymalne zmniejszenie ilości NOx przy użyciu systemu recyrkulacji wewnętrznej lub zewnętrznej jest znaczne i wynosi od 70% do 80%.
palniki BALTUR z niską emisją NOx , „Sparkgas…LX” i „BGN…LX”
Budowa palnika jest ważna, między innymi ze względu na NOx, które powstają podczas procesu spalania; eksperymenty potwierdziły, że niektóre konfiguracje powodują większe emisje niż inne.
Seria BALTUR „LX” została zaprojektowana i opracowana w ramach czteroletniego projektu badań przemysłowych, przeprowadzonego zgodnie z kryteriami określonymi w Ustawie 46/82. Następujące cele Spółki zostały należycie osiągnięte:
Filozofia ta opiera się na złożeniu, że inwestycja w produkt o wysokiej jakości przyniesie oszczędności w postaci mniejszych kosztów konserwacji oraz usuwania awarii systemu wskutek unieruchomienia maszyny. Wysoki przedział modulacji palnika powoduje, między innymi, mniejsze straty ciepła przy uruchamianiu, dłuższy czas eksploatacji maszyny ze względu na krótszy rozruch i wynikające z tego zmniejszenie emisji w stanach przejściowych.
Kontrolę zanieczyszczeń związanych z emisjami NOx uzyskuje się głównie poprzez rodzaj stosowanej dyszy, która powoduje szybki przepływ gazów uczestniczących w reakcji. Ta wysoka prędkość oznacza, że czas przebywania cząsteczek reagentów w rejonie płomienia jest krótki. Wiąże się to również z gradientem ciśnienia, który umożliwia wewnętrzną recyrkulację.
Dynamiczna „pneumatyczna” sprzężona kontrola spalania (która umożliwia utrzymania nadmiaru powietrza na stałym poziomie przez cały okres modulacji oraz po nim, jak pokazano na czerwonej krzywej na Wykresie 4), przyczynia się jednocześnie do efektu niskich emisji bez konieczności stosowania jakichkolwiek specjalnych urządzeń sterujących. W stosunkowo krótkim czasie obserwacji uzyskuje się krzywe tlenu (niebieska krzywa), które są typowe dla
„stałego” systemu kontroli. Jest to spowodowane przez lokalne zakłócenia, które trudno wyeliminować, takie jak nagłe zmiany temperatury, przeciwciśnienia i tak dalej.
Wykres 4: Zmiany poziomu suchych spalin na przestrzeni czasu. Czerwona krzywa: BALTUR „LX" dynamiczny system kontroli modulacji ; niebieska krzywa: stały system kontroli modulacji.
Większość palników o mocy mniejszej niż 10 MW, które są dzisiaj dostępne na rynku działa przy użyciu stałego systemu kontroli modulacji, który może być mechaniczny lub elektroniczny. Wskutek tego największe lokalne zakłócenia powodują że, w ciągu jednego roku pracy, wartości spalania nie są stałe, co może nawet doprowadzić do zatrzymania pracy palnika.
Dla przykładu, w tabeli poniżej przedstawiono procentowe zmiany nadmiaru powietrza w niektórych z tych palników, porównując jednocześnie dwa systemy kontroli modulacji: stały i dynamiczny.
|
Zakłócenie |
Zmiany nadmiaru powietrza przy stałej (mechanicznej) kontroli modulacji |
Zmiany nadmiaru powietrza przy dynamicznej (pneumatycznej) – kontroli modulacji BALTUR „LX” |
|
Spadek przepływu powietrza –10% (brud, przeszkody…) |
-12% |
2%
|
|
Temperatura otoczenia od 10°C do 25°C |
-7%
|
-2,1% |
|
Zmiany przeciwciśnienia spalin w komorze paleniskowej z – 0.1 mbar do +0.1 mbar (stałe powietrze) |
22%
|
0% |
|
Kompensacja zużycia przepustnicy powietrza
|
NIE |
TAK
|
Wnioski
Grafy na wykresach 5 i 6 przedstawiają wyniki badań przeprowadzonych przez BALTUR, które odnoszą się do omawianych tutaj kwestii.
Są to emisje NOx i CO dla dwóch modeli niskich emisji NOx:
BGN 390 LX (400 ÷ 3950 kW) oraz BGN 40 LX (60 ÷ 400 kW) przy wolumetrycznym obciążeniu termicznym wynoszącym 1,5 MW/m³.
Przy szczególnych warunkach pracy oraz przy niewielkiej utracie pola pracy, palniki z serii „LX" są w stanie ustabilizować poziom emisji NOx do wartości poniżej 60 mg/kWh (30 ppm przy O2=3%).
BALTUR jest jedną z pierwszych firm w swojej branży, która opracowała cały asortyment palników z kontrolą modulacji dmuchawy powietrza sterowanej ze sprzężeniem zwrotnym oraz z niskimi emisjami NOx, w których wykorzystano komponenty pneumatyczne, przeznaczonych zarówno do użytku domowego, jak i przemysłowego, dla zakresu mocy wyjściowych od 60 do 6000 kW
Wykres 5: Emisje NOx i CO (mg/m³) dla BGN 390 LX dla przedziału modulacji, płomień bezpośredni
Wykres 6: Emisje NOx i CO (mg/m³) dla BGN 40 LX dla przedziału modulacji, płomień bezpośredni
Bibliografia
2021-05-20
Kotły i palniki2021-01-20
Palniki 2 kW 70 MW2021-01-06
FGR PALNIK
