• Home
  • Features
  • Intensification of high temperature processes using oxygen applications from Messer Tatragas, spol. s.r.o.

Intensification of high temperature processes using oxygen applications from Messer Tatragas, spol. s.r.o.

Intensification of high temperature processes using oxygen applications from Messer Tatragas, spol. s.r.o.

Messer Tatragas spol. s.r.o., a member of the MesserGroup, is the largest supplier of technical gases and applications in Slovakia. Applications are used, inter alia, in the following industries: food, pharmacy, cold grinding, recycling, welding, cutting, high temperature processes or heat treatment.

Kyslík je nevyhnutný pre akékoľvek procesy spaľovania. Hoci je vzduch najbežnejším zdrojom kyslíka, nie je najefektívnejší, pretože obsahuje približne 78% dusíka. Dusík je relatívne inertný a neprispieva k reakciám spaľovania. Dusík obsiahnutý vo vzduchu v skutočnosti inhibuje reakcie paliva s kyslíkom a absorbuje teplo z reakcie spaľovania.
Technológia kyslíkového obohacovania bola úspešne aplikovaná v oblasti priemyslu metalurgie, skla a tepelnej techniky. Použitím tejto technológie je možné znížiť výrobné náklady pre množstvo procesov, keďže sa cena paliva neustále zvyšuje.

Úvod

Účinnosť priemyselných spaľovacích procesov môže byť zvýšená dvoma spôsobmi (ktoré je možné vidieť na Obr.1 a Obr.2), a to buď predohrevom paliva a vzduchu, alebo pridaním kyslíka. Z dôvodu vysokého obsahu balastného dusíka vo vzduchu (78%) je pri spaľovaní pomocou vzduchu možné dosiahnuť len nízke teploty plameňa. Balastný dusík spôsobuje vysoké teplotné straty z dôvodu nízkej účinnosti spaľovania. Kyslík je možné dostať do spaľovacej komory rôznymi spôsobmi:
- Kyslíkovými horákmi
- Priamou injekciou kyslíka do vzduchovo-palivového plameňa
- Pridaním k vzduchovo-palivovému plameňu
- Nasýtením spaľovacieho vzduchu
Na obrázku je znázornená závislosť teoretickej teploty plameňa pri stechiometrickom spaľovaní zemného plynu od obohatenia vzduchu kyslíkom. Z toho vyplýva, že aj nízke hodnoty obohatenia sú schopné vytvoriť vyššie teploty plameňa a tým zvýšiť účinnosť spaľovania.

Messer Tatragas, intenzifikácia vysokoteplotných procesov pomocou kyslíkových aplikácií 
Obr. 1: Vplyv teploty spaľovacieho vzduchu a koncentrácie kyslíka na účinnosť spaľovania. / Dependence of combustion efficiency on oxygen content.
Obr. 2: Teoretická teplota plameňa pre stechiometrické spaľovanie zemného plynu v závislosti od koncentrácie kyslíka v spaľovacom vzduchu. / Theoretical combustion temperature for stochiometriccombustion of natural gas.
 


Okrem vyššej tepelnej účinnosti kyslíkových horákov v porovnaní so vzduchovými horákmi je oveľa vyššia energetická účinnosť vzhľadom na prestup tepla druhým dôvodom pre použitie kyslíka. Prestup tepla nastáva konvekciou a radiáciou. S rastúcou teplotou, pomer radiácie rastie oproti konvekcii. Navyše je tepelná radiácia u kyslíkového plameňa kvôli vyššiemu obsahu troch molekúl plynov CO2 a H2O a taktiež nízkej hodnote NOx v spalinách intenzívnejšia ako u plameňa zo spaľovania so vzduchom. Obr.3 zobrazuje vyššie hodnoty emivisity kyslíkových horákov v porovnaní s horákmi sol spaľovaním vzduchu.

Porovnanie úrovne emisivity kyslíkový horák a vzduchový horák 
Obr. 3: Porovnanie úrovne emisivity kyslíkový horák a vzduchový horák. / Comparison of emission degree of O2 burner vs air burner. 


Použitie kyslíkových horákov je cenovo a časovo efektívne riešenie pre zníženie výrobných nákladov, zvýšenie výrobných kapacít a flexibility. Obohacovanie kyslíkom je taktiež spomínané v mnohých odborných publikáciách, venujúcich sa najlepším dostupným technológiám (BAT - best available techniques). Najčastejšie dôvody pre použitie kyslíka sú:

- Vyššia flexibilita vďaka vyššiemu tavnému výkonu a kratšej dobe striedania šarží
- Zníženie špecifickej spotreby energie
- Nižšie množstvo odplynov
- Nižší environmentálny dopad emisií
- Nižšie straty na materiáli z dôvodu nižšieho množstva plynov prúdiacich pecou
- Nižšie investičné náklady vďaka menším jednotkám filtrov
- Nie je potrebný predohrev vzduchu
- Umožňuje integrované dospaľovanie

Bezplameňové spaľovanie vedie ku “studenému spaľovaniu” s kyslíkom

Bezplameňové spaľovanie (správny vedecký názov je objemové spaľovanie) je proces, v ktorom sa plameň riedi odplynom v záujme jeho chladenia a predĺženia. Efektom tejto procedúry je takmer neviditeľný plameň. Samotným cieľom je ale významné zníženie tvorby NOx a výrazne lepšia distribúcia tepla (riedený plameň stále obsahuje rovnaké množstvo tepla). Napriek tomu, že pri použití kyslíka sa do spaľovania neprivádza žiadny dusík (na rozdiel od spaľovania so vzduchom, kde vzduch obsahuje 78% dusíka), vysoká teplota plameňa napomáha tvorbe NOx, ktoré vznikajú z dusíka v palive, alebo falošnom vzduchu, prisávanom do pece. Pri bezplameňovom spaľovaní sú ale emisie NOx znížené pod zákonné limity. Spôsob prevádzky riedeným, alebo “studeným” spaľovaním je zrejmý z Obr.4. Recirkuláciou odplynu sa zabezpečí zriedenie plameňa, ktoré vedie k redukcii teploty na ústí horáka a tak isto k redukcii hodnôt NOx. Tento efekt je možné dosiahnuť ako vzduchovými, tak aj kyslíkovými horákmi. Teploty kyslíkových horákov sú na tých istých hodnotách, ako u konvenčných vzduchových horákov.

Riedené spaľovanie 
Obr. 4: Riedené spaľovanie. / Diluted combustion. 


Bezplameňové spaľovanie vedie k homogenizácii teploty v peci. Na Obr.5 je možné vidieť rozloženie teploty v peci. Pri bezplameňovom spaľovaní pomocou technológie „Oxy-fuel“ je teplota nižšia a rovnomernejšie distribuovaná vďaka silnej vnútornej recirkulácii pecnej atmosféry pred ústím horáka.

Distribúcia teploty v spaľovacej komore pri bezplameňovom spaľovaní technológiou “oxy-fuel”. Cieľová teplota pece je 1200 °C. 
Obr. 5: Distribúcia teploty v spaľovacej komore pri bezplameňovom spaľovaní technológiou6 “oxy-fuel”. Cieľová teplota pece je 1200 °C. / Temperature distribution in the combustion chamber during flameless oxy-fuel combustion. The target temperature of the furnace is 1200 °C. 


Možnosti kyslíkového obohacovania

Obohacovanie primárneho vzduchu

Obohacovanie primárneho vzduchu kyslíkom (Obr.6) je jednoduchý spôsob, ale musí byť aplikovaný v súlade s miestnymi predpismi. Výsledkom kyslíkového obohacovania vzduchu je vyššia reakčná rýchlosť v objeme primárneho paliva a skrátenie dĺžky plameňa. Tento spôsob obohacovania môže pomôcť s problémom pri dosahovaní vysokých teplôt. Obohacovanie primárneho vzduchu je najmä vhodné za účelom dosiahnutia vyššej kapacity výroby.

Kyslíkové obohacovanie primárneho vzduchu 
Obr. 6: Kyslíkové obohacovanie primárneho vzduchu. / Oxygen enrichment of primary air. 


Kyslíková tryska

Kyslík môže byť dávkovaný pomocou nerezovej trubky, ktorá môže alebo nemusí byť ukončená tryskou (Obr.7). Táto nerezová trubka ja umiestnená v hlavnom horáku rotačnej pece. Výhodou je, že pred čelom hlavného horáka vznikne oblasť, ktorá má 100% koncentráciu kyslíka. Pokiaľ je nerezová trubka ukončená tryskou, táto môže byť impulzná alebo vírivá. Impulzné trysky majú sklon nastreľovať kyslík ďaleko do plameňa, čo spôsobuje zníženie účinnosti. Preto Messer používa špeciálne navrhnutú vírivú trysku, bez zváraných častí, čo umožňuje miešať kyslík v prúde transportného vzduchu alternatívneho paliva. Týmto spôsobom môže byť tvorba FeO v slinku znížená, kým spotreba alternatívneho paliva je zvyšovaná (čo je žiadúce).

Pridávanie kyslíka pomocou kyslíkovej trysky 
Obr. 7: Pridávanie kyslíka pomocou kyslíkovej trysky. / Oxygen dosing through the O2 nozzle. 


Atomizácia kvapalného paliva kyslíkom

Väčšina cementární používa olejové trysky v procese výroby slinku na rotačných peciach. Spoločnosťou Messer bola navrhnutá atomizačná tryska (Obr.8), ktorá nahradila pôvodnú atomizačnú trysku využívajúcu vzduch na atomizáciu paliva, za trysku, ktorá využíva kyslík na atomizáciu kvapalných palív. S touto metódou „plameň v plameni“ môže byť zlepšená atomizácia a dodatočný kyslík zvyšuje teplotu plameňa pre okolité alternatívne palivo. Messer zistil, že je to najvhodnejší spôsob na zvýšenie množstva alternatívneho paliva, pričom sa zníži parameter FeO.

Atomizácia kvapalného paliva kyslíkom 
Obr. 8: Atomizácia kvapalného paliva kyslíkom. / Atomisation of liquid fuel with oxygen. 


Horáky Oxipyr®

Horáky Oxipyr® sú vhodné pre takmer všetky aplikácie tavenia a ohrevu, pre plynné a kvapalné palivá. Rozdeliť ich môžeme do viacerých skupín, či už podľa výkonu, chladenia, prípadne podľa aplikácie. Všetky horáky typu Oxipyr® sú vyrobené na mieru podľa požiadaviek zákazníka a typu aplikácie. Na Obr.9 sú uvedené niektoré príklady horákov Oxipyr®.

Príklady horákov Oxipyr 
Obr. 9: Príklady horákov Oxipyr®. / Examples of Oxipyr® burners. 


Záver

Vyššie zmienené kyslíkové aplikácie sú navrhované a dizajnované priamo pre potreby daného výrobného procesu. Prostredníctvom kyslíkových aplikácií je v mnohých prípadoch možné dosiahnuť vysoké úspory prevádzkových nákladov s minimálnou počiatočnou investíciou. Medzi hlavné výhody kyslíkových aplikácií patrí napr.: zvýšenie výkonu jestvujúceho zariadenia, úspora paliva, elektrickej energie a iné. V súčasnej dobe aplikácie kyslíkového obohacovania neustále nachádzajú uplatnenie v rôznych odvetviach priemyslu.

  • autor:
  • Ing. Jozef Šuška, Messer Tatragas spol. s r.o., Bratislava; Mgr. Juraj Petrovič, Messer Tatragas spol. s r.o., Bratislava; Dr. Martin Demuth, Messer Austria GmbH, Gumpoldskirchen


You might also be interested



 

Article archive

Upcoming Events