Současný evropský průmysl čelí neustále se zpřísňující legislativě, jejímž prostřednictvím má být postupně dosaženo až jeho uhlíkové neutrality. Mnoho společností je proto nuceno plánovat a zavádět změny ve svých technologických 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 zvláště u zařízení a výrobních linek, které jsou z hlediska návratností investic nezřídka 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 množství emisí CO2 významně snižují 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—60 %. Tyto technologie jsou prověřené desítkami let zkušeností a ve většině případů jednoduše implementovatelné do stávajících spalovacích procesů.
Kyslíko-palivový spalovací proces
Kyslíko-palivovým procesem rozumíme takový spalovací proces, kdy do něj 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 i snížení přímých emisí CO2. U vhodně nastaveného procesu pak dochází vlivem úspory paliva i ke značné ekonomické úspoře. Do grafu 1 jsou vyneseny křivky závislosti účinnosti spalovacího procesu na teplotě okysličovadla a koncentraci kyslíku v něm. Graf byl vytvořen na základě měření provedených na ohřívací peci ocelových hutních polotovarů spalující zemní plyn, s konstantním přebytkem spalovacího vzduchu λ = 1,1 a teplotou procesu 1 200 °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 grafu 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 se 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. 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 graf 2, kde jsou zobrazeny tepelné toky při vnějším přestupu tepla v závislosti na teplotě spalin. Jedno- a dvouatomové plyny jako N2 a O2 jsou průteplivé (diatermní) pro tepelné záření a nepodílí se na zářivém tepelném toku. Z grafu je patrné, že konvekce je dominantním mechanismem přenosu tepla pouze do teploty cca 600 °C. U spalovacích procesů pod touto teplotou zpravidla není výhodné uvažovat o kyslíko-palivových technologiích. Do procesních teplot, řekněme 1 000 °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. 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 lze tedy dosahovat 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 NOx je možné hořáky konstruovat se stupňovitým přívodem paliva a okysličovadla a provozovat je také v „bezplamenném“ režimu (viz obr. 2). 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. 3 je pak vidět kyslíko-palivový hořák se stupňovitým přívodem paliva schopný pracovat ve třech režimech: a) ve studené peci 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 k potlačení podmínek vhodných pro tvorbu termických NOx.
Závěr
Kyslíko-palivové procesy jsou efektivním a dlouhodobě prověřeným řešením, které může pomoci dosáhnout současných dekarbonizačních cílů díky potenciálu 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 hardwaru, 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.
/Ing. Lukáš Lasota, aplikační inženýr pro vysokoteplotní procesy, Messer Technogas, s. r. o. Mobil: +420 778 973 734 E-mail: lukas.lasota@messergroup.com www.messer.cz/
