Wpływ deflacji energii paliwa na wzrost energochłonności procesu cieplnego

Wpływ deflacji energii paliwa na wzrost energochłonności procesu cieplnego
Fot. Adobe Stock. Data dodania: 20 września 2022



Wstęp

Ilość wygenerowanej w procesie spalania energii zależy od udziału w paliwie składników palnych wyrażonych w kg lub kmol1 i właściwej dla tego udziału ilości tlenu. Gaz ziemny (naturalny) nie jest paliwem o stałych parametrach fizyczno-chemicznych [1]. Uwzględniając to norma europejska zharmonizowana z dyrektywą maszynową PN-EN 746-2 URZĄDZENIA PRZEMYSŁOWE DO PROCESÓW CIEPLNYCH "Wymagania dotyczące bezpieczeństwa procesów spalania i układów paliwowych", pkt. 5.2.5.4 przewiduje możliwość spalania paliw, których właściwości nie jesteśmy pewni np. zmienne ciepło spalania. Dlatego piec, palenisko lub kocioł spalające takie paliwo ze względów bezpieczeństwa muszą być wyposażone w palnik pilotujący (stały), zasilany niezależnie paliwem gazowym o stałym składzie, czyli niezmiennej liczbie Wobbego.

Skutki zmiany składu gazu

W artykule opublikowanym w miesięczniku naukowo-technicznym Przegląd Odlewnictwa nr 7-8/2015 o tytule Wzrost zużycia gazu w procesie odlewniczym spowodowany obniżeniem wartości opałowej [2] udokumentowano, że ilość użytecznej energii cieplnej, którą uzyskujemy, spalając gaz o zmniejszonej niż deklarowana wartości opałowej, jest znacznie mniejsza niż to wynika ze zmiennych udziałów składników palnych. Niewielka deflacja energii zawartej w gazie skutkuje gwałtownym spadkiem egzergii2 płomienia. Zależność energii użytkowej od gradientu deflacji energii gazu nie jest proporcjonalna, lecz wykładnicza, i wynika z "zepsucia" proporcji składników palnych, a w konsekwencji zwiększonego rozcieńczenia substratów powietrzem atmosferycznym.

Pod pojęciem "niewielka deflacja energii" rozumieć należy dopuszczalne według normy PN-C-04753, a także przez Instrukcję Ruchu i Eksploatacji Sieci Przesyłowej (IRiESP), zmniejszenie ciepła spalania netto. Znaczy to, że zmniejszenie wartości opałowej gazu ziemnego E do najniższej zgodnej z PN-C-04753 (Ho=29,40 MJ/m3) może być powodem zwiększenia zużycia gazu o ponad 35% - patrz artykuł opublikowany w Przeglądzie Odlewnictwa 7-8/2015.

Zmniejszona energia gazu zmusza obsługę urządzenia do wyrównania obciążenia cieplnego palników poprzez zwiększenie strumienia spalanego gazu. Ponieważ zazwyczaj skład substratów spalania nie jest korygowany, skutkuje to przekroczeniem mocy zamówionej i zmniejszeniem wymaganej procesem produkcyjnym temperatury

spalania. Powyższe zjawisko nasila się w procesie spalania gazu za- azotowanego "Lm" a w przypadku biogazu staje się jeszcze bardziej intensywne.

Ponad pięćdziesiąt lat temu, podczas przestawiania urządzeń zasilanych gazem koksowniczym na gaz ziemny wysokometanowy i ziemny zaazotowany, utrwalono przeświadczenie, że zmiana wartości opałowej paliwa powoduje proporcjonalną zmianę mocy cieplnej urządzenia. Jest to prawdą tylko w odniesieniu do obciążenia palni- ków, ale nie mocy (użytecznej) urządzenia cieplnego. Moc użyteczna urządzenia stanowi bowiem różnicę strumienia energii dostarczanej przez palnik, pomniejszoną o sumę energii strat. Natomiast iloraz energii technicznie użytecznej do energii dostarczonej przez palnik to sprawność energetyczna [3].

Z poprzedniego artykułu [2] wynika, że niewielkie zmniejszenie energii gazu (spowodowane zmniejszeniem udziału składników pal- nych) generuje łańcuch przyczynowo-skutkowy, którego końcowym efektem jest wykładnicze (gwałtowne) zmniejszenie sprawności energetycznej.

Informacja w czasie rzeczywistym o zmianie składu gazu pozwala na korektę proporcji substratów spalania i zapobieżenie stratom energii związanym ze zmniejszeniem kalorymetrycznej temperatury spalania, co zazwyczaj uniemożliwia osiągnięcie wymaganej procesem technologicznym temperatury wsadu.

Podczas wywiadu [4] udzielonego w 2013 roku prezesowi Stowarzyszenia Odlewników Polskich mgr. inż. Tadeuszowi Franaszkowi, zapytany o to, jak długo pracuję nad tym problemem, odpowiedziałem, że z przerwami od lat 70. ubiegłego wieku, wówczas jeszcze jako starszy projektant "BPG Gazoprojektu" Wrocław., a od 1994 r. jako powołany przez dyrektora IGNiG w Krakowie członek Komitetu Technicznego ds. Certyfikacji Wyrobów. Wtedy zainteresowałem się tą kwestią w ramach pełnionych obowiązków i za namową przewodniczącego w/w Komitetu, doc. dr. inż. Czesława Kowalskiego (AGH Kraków), który zwrócił moją uwagę na to, że wyniki badań certyfikacyjnych wykazały, że kotły przystosowane do spalania gazu zaazotowanego miały zawsze znacznie mniejszą sprawność energetyczną od kotłów o identycznej konstrukcji i analogicznej mocy spalających gaz ziemny wysokometanowy.

Zdopingowany powyższym, prowadziłem własne obserwacje mocy i sprawności kotłów grzewczych gazowych. Wyliczona różnica była znacznie większa, niż wynikało to z mniejszej wartości opałowej

gazów zaazotowanych. Niestety eksperymentalnie potwierdzenie po- wyższego nie było możliwe, z uwagi na prawie niedostępną wówczas aparaturę konieczną do wiarygodnych pomiarów w zakresie składu gazu (chromatograf procesorowy, spektrometr), analizy fizykochemicznej produktów spalania (analizator spalin), termografii i pirometrii.

Wiele lat później, w roku 2005, w trakcie wykonywania audytu energetycznego w jednej z większych odlewni o ruchu ciągłym nastąpił gwałtowny spadek mocy we wszystkich ośmiu gazowych tyglowych piecach odlewniczych. Było to wspaniałe pole badawcze, opisane w artykule Efektywność energetyczna procesu topienia aluminium w gazowych tyglowych piecach odlewniczych opublikowanym w Przeglądzie Odlewnictwa 7-8/2013, a także w portalu gospodarczym wnp.pl3 Każda zmiana składu gazu powodująca nie tylko zmniejszenie, ale i wzrost wartości opałowej, powinna być kompensowana (w czasie rzeczywistym) proporcjami substratów celem uzyskania procesu spalania o najwyższej temperaturze. Temperaturę tę wyliczyć można z ogólnego równania bilansu substratów i produktów spalania.

Ponieważ ciepło właściwe spalin i powietrza różni się nieznacznie dla celów inżynierskich temperaturę spalania wyliczyć można bez konieczności odnoszenia się do tablic cieplnych, z uproszczonego równania bilansu [5]:

Ponieważ pobierając gaz płacimy za energię (zawartą w 1 m3),

jakość gazu powinna być zdefiniowana nie tylko jego ciepłem spalania, ale i stabilnością (niezmiennością) składników palnych. Jest to warunek konieczny wszelkich zabiegów zmniejszających energochłonność procesu cieplnego, a tym samy emisję CO2.

Gdy energia zawarta w gazie zmniejsza się o ca 6,3%, strumień energii użytecznej zmniejsza się o 10%. Aby zatem doprowadzić piec do stanu wymaganego procesem produkcyjnym, należy zwiększyć gazowe obciążenie palnika o 10%.

Temperaturę w piecach hutniczych zaliczyć należy do wysokich, dlatego udział promieniowania w przekazywaniu ciepła zawiera się w przedziale 85-95%4 Ponieważ przejmowanie ciepła przez promieniowanie ma charakter wykładniczy [6], spadek energii paliwa (wartości opałowej) o 18,3%, nierekompensowany proporcją substratów spalania, powoduje zmniejszenie strumienia przekazywanej do wsadu drogą promieniowania energii o niebagatelną wielkość 35,3%. O taką wielkość, aby zrekompensować stratę ciepła, należy zwiększyć strumień energii pierwotnej - gazu.

Przebieg zjawiska dla charakterystycznych wielkości deflacji energii paliwa gazowego uwidacznia tabela 1, będąca fragmentem arkusza kalkulacyjnego opisującego szczegółowo bilans cieplny odlewniczego pieca do topienia aluminium w artykule opublikowanym w Przeglądzie Odlewnictwa 7-8/2015.

Nawet niewielka zmiana składu gazu dopuszczalna normą PN- C-04753 generuje zmianę energii chemicznej zawartej w paliwie.

Energia ta uwalniana jest w procesie spalania mieszanki przygotowanej w urządzeniu spalania - palniku. Przy okazji warto przypomnieć, że proces spalania odbywać się powinien poza palnikiem, w palenisku lub komorze spalania. Cofnięcie lub oderwanie płomienia występuje wskutek nieodpowiedniego stosunku prędkości spalania i prędkości wypływu mieszanki z gardzieli palnika. Spalanie w palniku powoduje jego zniszczenie. Poniżej załączam zdjęcie głowicy palnika zniszczonej wskutek cofnięcia się płomienia. Cofnięcie zostało wywołane nieodpowiednim składem substratów spalania, w tym wypadku niedrożnym filtrem powietrza. Szybkość spalania była większa od szybkości wypływu gazu z gardzieli palnika. Na przykładzie widać, że odpowiedni udział substratów spalania (skład mieszanki) to bardzo ważny parametr procesu spalania. Niewłaściwe proporcje gazu i powietrza mogą spowodować nie tylko uszkodzenie palnika (skrajnie złe parametry), ale przede wszystkim rozregulowanie procesu spalania.

Nadmierny udział powietrza spalania

Gdy molowy udział powietrza spalania jest nadmierny, bo zmniejszyła się wartość opałowa, następuje zmniejszenie sprawno- ści energetycznej wskutek niższej temperatury spalania. Zależność temperatury spalania od nadmiaru powietrza uwidacznia poniższy wykres [6], zwłaszcza prawa jego część, obrazująca spadek tempera- tury w funkcji wzrostu rozcieńczenia substratów - współczynnika λ.

Lewa część wykresu to gradient temperatury spalania w sytuacji, gdy dostarczany strumień powietrza jest mniejszy od stechiometrycznego. Warto zapamiętać, że najwyższa temperatura występuje w procesie spalania, gdy ilość powietrza jest równa lub zbliżona do stechiometrycznej. Zwiększa się wtedy możliwość wystąpienia strat niecałkowitego spalania i pojawia się emisja trującego tlenku węgla.

Niekontrolowany wzrost ciepła spalania

Gdy z rozmaitych przyczyn w gazie przewodowym zwiększy się udział składników palnych, zwiększy się nie tylko ilość wygenerowanej w procesie spalania energii, ale także zapotrzebowanie na tlen niezbędny do spalania zupełnego. Ponieważ standardowe źródło tlenu to powietrze, zatem tlen do spalania dostarczany jest wraz z azotem atmosferycznym. Niestety azot stanowi balast procesu spalania, dlatego obniża się wówczas egzergia płomienia.

Jeśli zwiększa się kaloryczność gazu, korekta substratów po- winna polegać na zwiększeniu strumienia tlenu. W przeciwny razie może dojść do emisji trującego CO i wygenerowania wprawdzie niewielkich, ale ważnych w ogólnym bilansie procesu cieplnego strat niezupełnego spalania.

Zwiększenie wartości opałowej występuje rzadko i najczęściej jest związane ze zmianą źródła zasilania sieci przesyłowej.

Wbrew pozorom zwiększony a niezapowiedziany wzrost wartości kaloryczności na pewno stanie się źródłem dodatkowych strat powodujących zwiększenie energochłonności urządzenia cieplnego.

Temperatura spalania w procesach zwiększonego rozcieńczenia substratów

W materiałach informacyjnych producenta palników Kromschräder opublikowano w latach ubiegłych poniższy wykres. Obrazuje on gradient temperatury spalania w funkcji współczynnika nadmiaru powietrza, zwłaszcza gdy jest on większy niż 2,5.

Wartość λ=2,5 oznacza, że strumień powietrza spalania jest większy o 150% od wielkości stechiometrycznej.

Temperatura spalania, stanowiąca różnicę temperatury kalorymetrycznej i ciepła dysocjacji, osiąga wówczas wartość nie większą niż

800⁰C, co znacznie ogranicza przydatność procesu spalania w odlewnictwie, nawet dla topienia stopów aluminium [7], a w każdym razie znacznie wydłuża proces topienia ustalonej wcześniej masy wsadu.

Wieloletnia praktyka autora wskazuje, że większość osób zajmujących się regulacją palników wykonuje jedynie pomiar parametrów spalin z uwagi na kryterium emisji trującego tlenku węgla CO, a nie optymalizację składu substratów i maksymalizację temperatury spalania. Świadczy o tym częsty brak w instalacji wysokotemperaturowej sondy aspiracyjnej. Zazwyczaj nie jest też wyliczane ze zmierzonej wartości niespalonego tlenu O2 procentowe stężenie CO2 i nie jest

ono porównywane z wielkością stechiometryczną - CO2max, jako

kryterium wielkości strat kominowych - wylotowych.

Inne skutki zmiany ciepła spalania gazu

Zmienna kaloryczność gazu spowodowana niestabilnym składem staje się dodatkowym źródłem strat energii cieplnej. Wprawdzie średnia ważona ciepła spalania częściowo rekompensuje okresowe spadki kaloryczności gazu, ale jak wynika z publikacji [2], zmniejszenie efektywności energetycznej przemysłowego urządzenia cieplne- go nie jest proporcjonalne, lecz wykładnicze do gradientu spadku ciepła spalania i to tylko dlatego, że odbiorca, nieświadom zmiany składu gazu, nie dokonał niezbędnej korekty proporcji substratów. Odbiorca nie przeprowadza bieżącej analizy palnych składników gazu, a dostawca nie ma w zwyczaju powiadamiania klienta - i nie jest tym zainteresowany - o czekających go kłopotach, wynikających choćby tylko z przekroczenia mocy zamówionej, i to nie z jego winy.

Jeśli natomiast ciepło spalania gazu zwiększa się, a odbiorca nie został poinformowany również o tym i nie wykonał odpowiednich czynności, wygenerowana zostanie dodatkowa, niewielka strata energii cieplnej związana z niecałkowitym spalaniem i wyemitowaniem trującego tlenku węgla. Proces ten jest niebezpieczny dla obsługi, bo tlenek węgla, mimo że odprowadzony na zewnątrz, po ostudzeniu ma ciężar właściwy porównywalny do powietrza, gromadząc się w trudno przewidywalnych miejscach, może spowodować śmiertelne zatrucie załogi.

Z tego względu, jak również z uwagi na bezpieczeństwo użytkowania, należy stosować system detekcji i monitoringu gazu i tlenku węgla.

Uwagi końcowe

Powyższy artykuł jest opracowaniem inżynierskim, dlatego przyjęto pewne niewielkie uproszczenia w przedmiocie procesów cieplnych celem uczynienia go bardziej przejrzystym i przystępnym, a zarazem łatwym do matematycznego opisania i wyliczenia przy pomocy zwykłego arkusza kalkulacyjnego.

Do obliczeń jako bazę przyjęto zmianę składu gazu dotyczącą procesów stechiometrycznych, tj. takich, w których λ równa się 1.0, a zarazem temperatura spalania osiąga wartość maksymalną.

Ponieważ w procesach przemysłowych λ jest prawie zawsze większe od jedności, rzeczywisty spadek efektywności energetycznej wskutek rozcieńczenia substratów, co jest jednoznaczne z obniżeniem temperatury spalania, jest większy a nawet znacznie większy niż wyliczony dla procesu stechiometrycznego.

W świetle informacji zawartych w powyższym opracowaniu widać wymownie, że bieżąca kontrola składu gazu jest czynnością niezbędną, leżącą w interesie użytkownika nie tylko przemysłowego, ale i prywatnego, choć w tym przypadku, z uwagi na niższą temperaturę procesu cieplnego (temperatura wody musi być niższa niż 100°C) straty będą mniejsze.

Regulując palniki nie należy z obawy przed możliwą emisją tlenku węgla CO nadmiernie zwiększać współczynnika nadmiaru powietrza. Takie postępowanie jest nieracjonalnie, najbardziej prawdopodobnym zdarzeniem będzie bowiem zmniejszenie a nie wzrost wartości

opałowej gazu. Spowoduje to zmniejszenie zapotrzebowania na tlen.

Ponieważ strumień powietrza spalania w palnikach przemysłowych nie ulegnie proporcjonalnemu zmniejszeniu, nastąpi nadmierne rozcieńczenie substratów, zmniejszenie możliwości emisji CO, obniżenie temperatury spalania i zmniejszenie strumienia użytkowej energii cieplnej. Zwiększeniu natomiast ulegnie energochłonność procesu cieplnego, w niektórych przypadkach nawet o 50%. Może to spowodować dwukrotne wydłużenie cyklu procesu technologicznego.

Jeśli temperatura spalania spadnie poniżej minimalnej, dalsze prowadzenie procesu stanie się bezcelowe, bo produkowane będą tylko spaliny, a temperatura wsadu mimo upływu czasu nie wzrośnie ponad temperaturę produktów spalania. Większość energii w takim "kalekim" procesie spalania zużywane jest na pokrycie strat.

Nawet powierzchowna i pobieżna lektura tego i opublikowanego uprzednio w Przeglądzie Odlewnictwa 7-8/2015 artykułu utwierdzi czytelnika w przekonaniu, że "zawirowanie" w zakresie odbioru gazu w rejonie Polski północno-zachodniej w 2008 roku, mimo zapewnień specjalistów z PiGNIG spowodowane było nie tyle zmianą gazu zaazotowanego na ziemny, a więc ze zwiększoną wartością opałową, ale głównie odmiennymi procesami cieplnymi wynikającymi z niewłaściwego sposobu przestawienia urządzeń spalania - palników - na gaz o innym składzie. Te procesy spowodowały obniżenie sprawności energetycznej urządzeń cieplnych, głównie z kotłów wodnych centralnego ogrzewania, a tym samym zmniejszenie ich efektywności energetycznej.

Literatura

1. MOLENDA J.: Gaz ziemny, Paliwo i surowiec
2. PACHOLE Z.: Wzrost zużycia gazu w procesie odlewniczym spowodowany obniżeniem wartości opałowej, Przegląd Odlewnictwa, t. 65, 2015, nr 7-8
3. SZARGUT J.: Termodynamika techniczna, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, 1997
4. PACHOLE Z.: Wywiad udzielony mgr. inż. T. Franaszkowi, prezesowi ZG STOP, Przegląd Odlewnictwa, t. 64, 2014, nr 7-8
5. KOWALEWICZ A.: Podstawy procesów spalania, WNT, 2000
6. PETELA R.: Paliwa i ich spalanie, Politechnika Śląska, 1982
7. SENKARA T.: Obliczenia cieplne pieców grzewczych, Śląsk, 1992


1 mol: jednostka miary materii, równa się 12 g węgla 12C, co odpowiada 6,022 • 1023 drobin - liczba Avogadra
2 Egzergia - miernik zdolności do wykonania pracy w otoczeniu objętym działalnością człowieka, nazywany wcześniej, dość trafnie, potencjałem energetycznym.
3 http://energetyka.wnp.pl/efektywnosc-energetyczna-procesu-topienia-aluminium-w-gazowych-tyglowych-piecach-odlewniczych,8276_2_0_0.html
4 Senkara - Obliczenia cieplne pieców grzewczych w hutnictwie str. 11.
×

DALSZA CZĘŚĆ ARTYKUŁU JEST DOSTĘPNA DLA SUBSKRYBENTÓW STREFY PREMIUM PORTALU WNP.PL

lub poznaj nasze plany abonamentowe i wybierz odpowiedni dla siebie. Nie masz konta? Kliknij i załóż konto!

Zamów newsletter z najciekawszymi i najlepszymi tekstami portalu

Podaj poprawny adres e-mail
W związku z bezpłatną subskrypcją zgadzam się na otrzymywanie na podany adres email informacji handlowych.
Informujemy, że dane przekazane w związku z zamówieniem newslettera będą przetwarzane zgodnie z Polityką Prywatności PTWP Online Sp. z o.o.

Usługa zostanie uruchomiania po kliknięciu w link aktywacyjny przesłany na podany adres email.

W każdej chwili możesz zrezygnować z otrzymywania newslettera i innych informacji.
Musisz zaznaczyć wymaganą zgodę

KOMENTARZE (0)

Do artykułu: Wpływ deflacji energii paliwa na wzrost energochłonności procesu cieplnego

NEWSLETTER

Zamów newsletter z najciekawszymi i najlepszymi tekstami portalu.

Polityka prywatności portali Grupy PTWP

Logowanie

Dla subskrybentów naszych usług (Strefa Premium, newslettery) oraz uczestników konferencji ogranizowanych przez Grupę PTWP

Nie pamiętasz hasła?

Nie masz jeszcze konta? Kliknij i zarejestruj się teraz!