Spalování zemního plynu ve spalovací peci na odpad

Transkript

1 Vysoká škola báňská Technická univerzita Ostrava Fakulta metalurgie a materiálového inženýrství Katedra tepelné techniky Spalování zemního plynu ve spalovací peci na odpad Student: Vedoucí bakalářské práce: Lukáš Lasota Ing. Jiří Burda Ostrava 2018

2

3

4

5

6 Poděkování Rád bych poděkoval panu Ing. Jiřímu Burdovi za odborné vedení vzniklé bakalářské práce, neocenitelné rady a znalosti, které jsem během jejího psaní získal.

7 Abstrakt První část práce obsahuje popis procesu spalování odpadu. Jsou zde uvedeny základní pojmy související se spalováním odpadu na roštu. Druhá část práce je detailněji zaměřena na popis a přehled průmyslových hořáků pro spalování plynných paliv. V úvodu této části jsou popsány jejich základní části a periférie. Dále je uveden popis a klasifikace těchto hořáků na základě jejich konstrukčních a provozních parametrů. Třetí část práce je věnována experimentu, jehož náplní bylo ověření výkonových parametrů dvou blokových hořáků experimentálního zařízení pro spalování odpadů. Z naměřených hodnot jsou zde stanoveny tlakové charakteristiky přívodního paliva pro hořáky, výkony a přebytky spalovacího vzduchu v závislosti na různých pracovních režimech hořáků. Klíčová slova: spalování odpadu na roštu, průmyslové hořáky, zemní plyn, spalovací parametry Abstract The first part of the thesis contains description of the waste incineration process. The basic concepts related to the grate incineration of waste are listed and described in this part. The second part of the thesis is focused in more detail on description and overview of industrial burners for burning gaseous fuels. Basic components and peripherals are described in the introductory part of the thesis. Further on, description and classification of burners based on their design and operating parameters are discussed as well. The third part is about experiment, which was realized in order to determine combustion performance parameters of the monoblock burners installed on the experimental waste incinerator. Inlet fuel pressure characteristics, burner outputs and air excess coefficient are determined in this part from the measured data, depending on the current settings of the burner s working positions. Keywords: combustion of waste on grate, industrial burners, natural gas, combustion parameters

8 Seznam použitých veličin Označení Popis Jednotka A hmotnostní podíl nehořlavých látek v odpadu % C hmotnostní podíl hořlavých látek v odpadu % v -1 c sp měrná tepelná kapacita vlhkých spalin J kg-1 K -3 CH4 objemový podíl metanu v palivu mn 3 mn -3 CmHn objemový podíl vyšších uhlovodíků v palivu mn 3 mn -3 CO objemový podíl oxidu uhelnatého v palivu mn 3 mn -3 CO2 objemový podíl oxidu uhličitého v palivu mn 3 mn CO2,sp,C skutečné množství oxidu uhličitého v suchých spalinách z analyzátoru umístěného na výstup ze zařízení -3 mn 3 mn CO 2,max maximální objem oxidu uhličitého v suchých spalinách % CO2,sp,RK skutečné množství oxidu uhličitého v suchých spalinách z analyzátoru na výstupu z RK, před vstupem do KDS -3 mn 3 mn CO -3 2,sp skutečné množství oxidu uhličitého ve spalinách mn 3 mn L min stechiometrický normální objem spalovacího vzduchu mn 3 mn -3 L skut skutečný normální objem spalovacího vzduchu přiváděného do spalovacího procesu mn 3 mn -3 n součinitel přebytku spalovacího vzduchu 1 nc celkový součinitel přebytku spalovacího vzduchu z analyzátoru umístěného na výstup spalin z pracovního prostoru zařízení 1 nrk součinitel přebytku spalovacího vzduchu z analyzátoru umístěného na výstup z reakční komory před vstupem spalin do komory dodatečného spalování 1-3 N2 objemový podíl dusíku v palivu mn 3 mn O -1 min stechiometrický normální objem kyslíku mn 3 kg

9 O skut skutečný normální objem spalovacího kyslíku přiváděného do spalovacího procesu -1 mn 3 kg patm okamžitý atmosférický tlak při měření Pa pf;kds přetlak zemního plynu na filtru zemního plynu pro hořák KDS kpa pf;rk přetlak zemního plynu na filtru zemního plynu pro hořák RK kpa pm přetlak zemního plynu na společné přípojce hořáků hlavní manometr kpa pn normální tlak plynu Pa pr;rk přetlak zemního plynu za regulátorem pro hořák RK kpa pr;kds přetlak zemního plynu za regulátorem pro hořák KDS kpa pv;kds přetlak zemního plynu naměřeném na vzorkovači hořáku KDS kpa pv;rk přetlak zemního plynu naměřeném na vzorkovači hořáku RK kpa P H výkon hořáku kw PH,jmen PH,max PH,min výkon dosažený při jmenovitých hodnotách tlaků plynu a spalovacího vzduchu výkon odpovídající maximálním dosažitelným hodnotám tlaků paliva a okysličovadla, pokud hořák při těchto tlacích splňuje podmínky bezpečné a hospodárné funkce výkon odpovídající minimálním dosažitelným hodnotám tlaků paliva a okysličovadla, pokud hořák při těchto tlacích splňuje podmínky bezpečné a hospodárné funkce kw kw kw Q dis. disociační teplo J kg -1 Q ch energie chemicky vázaná v palivu, dána výhřevností paliva J kg -1 Q n normální výhřevnost plynného paliva J mn -3 Q ned. entalpie chemického a mechanického nedopalu J kg -1 Q p entalpie předehřátého paliva J kg -1 Q s energie v podobě spalného tepla uvolněná spálením 1 kg paliva J kg -1

10 Q v energie v podobě výhřevnosti uvolněná spálením 1 kg paliva J kg -1 Q vz entalpie předehřátého vzduchu J kg -1 Q z ztrátové teplo J kg -1 R jmen jmenovitý regulační poměr 1 R max maximální regulační poměr 1 S spalovací poměr 1 t sp spalná teplota C T 1 absolutní teplota plynu K Tn normální teplota plynu K Tp teplota zemního plynu K V 1 objem plynu o teplotě T1 a tlaku p1 m 3 V CO2 objem oxidu uhličitého ve spalinách při spálení 1 mn 3-3 paliva mn 3 mn V H2 O objem vzniklé vody při spálení 1 mn 3-3 paliva mn 3 mn V n objem plynu při normálním stavu ( Pa a 273,15 K) mn 3 V N2 objem dusíku ve spalinách při spálení 1 mn 3-3 paliva mn 3 mn V ph normální množství plynného paliva, přivedeného do hořáku za hodinu -1 mn 3 h s V sp,min V sp v v V sp,min objem suchých spalin při spálení 1 mn 3-3 paliva při n = 1 mn 3 mn -1 objem vlhkých spalin vzniklých spálením 1 kg odpadu mn 3 kg objem vlhkých spalin při spálení 1 mn 3-3 paliva, při n = 1 mn 3 mn V vh V VT normální množství spalovacího vzduchu přivedeného do hořáku stechiometrický objem spalovacího vzduchu potřebný ke spálení 1 mn 3 paliva -1 mn 3 h -3 mn 3 mn w C hmotnostní podíl uhlíku v palivu % w H hmotnostní podíl vodíku v palivu %

11 w O hmotnostní podíl kyslíku v palivu % w S hmotnostní podíl síry v palivu % w W hmotnostní podíl vlhkosti v palivu % W hmotnostní podíl vlhkosti v odpadu % Δp1 přetlak plynného paliva Pa ϕ rychlostní součinitel trysky 1

12 Obsah 1 ÚVOD POPIS PROCESU SPALOVÁNÍ ODPADŮ Spalovací proces Spalitelnost odpadu Energetické charakteristiky odpadu Podmínky při spalování odpadů Zařízení pro spalování odpadu Spalování odpadu na roštu PŘEHLED A POPIS PRŮMYSLOVÝCH HOŘÁKŮ PRO SPALOVÁNÍ PLYNNÝCH PALIV Definice plynového hořáku Použití plynových hořáků Rozdělení plynových hořáků Základní části hořáků pro spalování plynných paliv Plynové těleso Plynová tryska Vzduchové těleso Vzduchová tryska, vířič spalovacího vzduchu Směšovač Ústí plynového hořáku Spalovací kanál a tvarovka hořáku Hořáková deska, zapalovací a pozorovací otvor Řídící, ovládací a regulační prvky automatických hořákových systémů Uzavírací prvky přívodů médií Zapalovací systém hořáku Detekce plamene Regulační armatury přívodů médií do hořáku Automatická regulace výkonu plynových hořáků Přehled průmyslových plynových hořáků Ejekční hořáky Hořáky s nuceným přívodem spalovacího vzduchu Rekuperační a regenerační hořáky Sálavé hořáky Blokové hořáky Kyslíko-palivové a vzducho-kyslíko-palivové hořáky Základní veličiny související s problematikou plynových hořáků... 38

13 4 EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST Popis experimentálního zařízení Schematické znázornění experimentálního zařízení Přívod zemního plynu Hořáky Měřicí body Experiment Měření přetlaku zemního plynu Stanovení výkonu hořáků Stanovení přebytku spalovacího vzduchu ZÁVĚR... 59

14 1 ÚVOD Vzhledem k neustálému nárůstu produkce odpadů je nutné intenzivně řešit problém jejich efektivního zneškodňování. Jednou z relativně jednoduchých, ale účinných metod likvidace odpadů je jejich spalování. Hlavní výhodou spalování odpadů je značná redukce jejich objemu. Při spalování se dá efektivně využívat energetický potenciál odpadu coby paliva. Při správné funkci čištění emisí vzniklých spalováním odpadů je zaručena i vysoká ekologičnost celého procesu. Oproti skládkování je při spalování odpadů sníženo riziko kontaminace půdy a vodních zdrojů. Navzdory všem výhodám plynoucím ze spalování odpadů je skládkování stále nejrozšířenější metodou nakládání s odpady. Moderním trendem vyspělých států je však postupné omezování skládkování spalitelných odpadů a rozšiřování spalovacích kapacit. Nárůst produkce odpadů je důsledkem neustálého zvyšování energetické a materiální náročnosti společnosti. Zvyšování spotřeby energie v různých formách vede ke zdokonalování agregátů na jejich výrobu za účelem úspory drahocenných paliv. Značná část tepelné energie se vyrábí pro průmyslové využití v nejrůznějších podobách. Agregáty generujících tepelnou energii používají ke spalování různá paliva a metody jejich spalování. Hořáky pro spalování plynných paliv, které jsou podrobněji popisovány v této práci, hrají podstatnou roli při produkci tepelné energie. Moderním palivem pro svůj vysoký energetický potenciál a ekologické využití je zemní plyn. Mnoho odborníků hovoří o zemním plynu jako o palivu budoucnosti. Proto je také kladen důraz na zdokonalování hořáků sloužících k jeho spalování. V první části této práce je vysvětlen princip roštového spalování odpadů. Jsou zde popsány základní principy a mechanismy roštového spalování a využití odpadu jako paliva. Druhá část je zaměřena na popis a přehled průmyslových hořáků pro spalování plynných paliv. Mimo jiné je důraz kladen zejména na obohacení informací o praktické postřehy a moderní trendy, již tak velmi kvalitně popsaných v publikacích Ing. Josefa Fíka [8], [9]. Ve třetí části je vyhodnocen experiment, který byl uskutečněn na experimentálním zařízení pro spalování odpadů v Institutu environmentálních technologií na půdě VŠB TU Ostrava. Zařízení je vybaveno dvěma stabilizačními blokovými hořáky, které udržují požadované teplotní podmínky v jeho pracovním prostoru. Na rozdíl od velkých spaloven, které jsou konstruovány tak, že teplo produkované spalováním odpadu stačí k udržování potřebné teploty v peci, jsou hořáky experimentálního zařízení provozovány i během procesu spalování odpadu. Cílem experimentální části práce bylo ověření a stanovení spalovacích parametrů dvou instalovaných blokových hořáků. 1

15 2 POPIS PROCESU SPALOVÁNÍ ODPADŮ Spalování odpadů je jednou z použitelných metod zneškodňování odpadů. Hlavní výhodou oproti skládkování, které je v České republice stále nejrozšířenější metodou zneškodňování odpadů, je značné snížení jejich objemu a množství kontaminantů. Rovněž energetický potenciál odpadu jako paliva může být efektivně využit pro výrobu tepla, či elektrické energie. Pro některé zvláštní druhy odpadů (například zvláštní odpady ze zdravotnických zařízení, nebo odpady z chemického průmyslu) je spalování jedinou možnou metodou jejich zneškodnění. Hlavní nevýhodou spalování odpadů je tvorba produktů spalování a jejich vypouštění do ovzduší, což se sebou přináší nutnost investice do účinného systému čištění spalin. [1] 2.1 Spalovací proces Spalovací proces je exotermická reakce, při které dochází k oxidaci organických sloučenin přítomných v palivu. Při spalování odpadů se pracuje se stechiometrickým a vyšším přebytkem okysličovadla. Produkty spalování závisí na složení paliva, ale majoritní složku tvoří CO2 a H2O společně s N2 (přítomným ve spalovacím vzduchu). Podle velikosti přebytku spalovacího vzduchu se ve spalinách také vyskytuje přebytečný O2. [1], [2] 2.2 Spalitelnost odpadu Odpady se obecně považují za méněhodnotná paliva, což je dáno hlavně nehomogenitou jejich složení a zpravidla vysokým obsahem vlhkosti. Jako každé jiné palivo jsou odpady charakterizovány obdobnými veličinami, určujícími jejich spalovací vlastnosti. Obsah hořlavých látek, jako jsou uhlík, vodík a síra, se souhrnně označuje jako C a bývá udáván v hmotnostních procentech. Obsah minerálních, nehořlavých látek se označuje jako A, a celkový obsah vlhkosti pak jako W. Obě veličiny se rovněž udávají v hmotnostních procentech. Obecně platí vztah: [1] C + W + A = 100 (%) (1) kde C je hmotnostní podíl hořlavých látek v odpadu (%), W - hmotnostní podíl vlhkosti v odpadu (%), A - hmotnostní podíl nehořlavých látek v odpadu (%). Odpad jako palivo může hořet dvěma způsoby. Samostatně respektive nesamostatně, což závisí na podílu hořlaviny v palivu. Pokud se v odpadu nachází dostatečné množství hořlaviny, je odpad po zapálení schopen samostatného hoření. S rostoucím množstvím nehořlavých látek ztrácí odpad jako palivo schopnost hořet samostatně a je nutné jeho spalování podporovat externím zdrojem tepla, či sekundárním (stabilizačním) palivem. [1] 2

16 Jako hranice schopnosti samostatného hoření odpadu se udává minimální hodnota jeho výhřevnosti kj kg -1, což odpovídá složení: obsah popela A 60 % obsah vlhkosti W 50 % obsah hořlaviny C 25 % Poměr jednotlivých složek odpadu jako paliva je znázorněn Tannerově (trojném) diagramu (obr. 1). [1] Obr. 1. Tannerův (trojný) diagram. [1] Vpravo dole je v diagramu zvýrazněna oblast v podobě pětiúhelníku, která vymezuje složení odpadů schopných samostatného hoření. Při optimálních spalovacích podmínkách je odpad těchto parametrů schopen svým hořením odpařit přebytečnou vlhkost a zahřát popeloviny na spalovací teplotu, což vede k jeho samostatnému hoření. [1] 3

17 2.3 Energetické charakteristiky odpadu Množství tepla uvolněného spálením jednotkového množství odpadu závisí na jeho složení a dá se stanovit kalorimetricky, či teoreticky pomocí svazových rovnic: [3] Q s = 339 w C (w H w O 8 ) w S (J kg 1 ) (2) Q v = 339 w C (w H w O 8 ) w S 25 w W (J kg 1 ) (3) kde Q s je energie v podobě spalného tepla uvolněná spálením 1 kg paliva (J kg -1 ), Q v - energie v podobě výhřevnosti uvolněná spálením 1 kg paliva (J kg -1 ), w C - hmotnostní podíl uhlíku v palivu (%), w H - hmotnostní podíl vodíku v palivu (%), w O - hmotnostní podíl kyslíku v palivu (%), w S - hmotnostní podíl síry v palivu (%), w W - hmotnostní podíl vlhkosti v palivu (%). Spalná teplota charakterizuje energetický potenciál využití odpadu. Množství tepla, které se uvolní spálením jednotkového množství paliva daného složení, velmi úzce souvisí se spalnou teplotou. Rostoucí spalná teplota příznivě ovlivňuje spalovací podmínky v pracovním prostoru zařízení například snižováním spotřeby stabilizačního paliva. Obecně se spalná teplota stanoví z rovnice: [3] t sp = Q ch + Q p + Q vz Q ned. Q dis. Q z v ( C) V spv c sp (4) kde t sp je spalná teplota ( C), Q ch - energie chemicky vázaná v palivu, dána výhřevností paliva (J kg -1 ), Q p - entalpie předehřátého paliva (J kg -1 ), Q vz - entalpie předehřátého vzduchu (J kg -1 ), Q ned. - entalpie chemického a mechanického nedopalu (J kg -1 ), Q dis. - disociační teplo (J kg -1 ), Q z - ztrátové teplo (J kg -1 ), v V sp - objem vlhkých spalin vzniklých spálením 1 kg odpadu 3 kg (mn -1 ), v c sp - měrná tepelná kapacita vlhkých spalin (J kg -1 K -1 ). 4

18 Zápalná teplota je taková teplota, při které dojde po vysušení odpadu k dostatečnému uvolnění těkavých látek, k jejich vznícení a vzniku plamene. U tuhých a kapalných odpadů se zápalná teplota pohybuje v rozmezí 150 až 650 C. [1] 2.4 Podmínky při spalování odpadu K tomu, aby spalování odpadů probíhalo optimálně, je nutné zajistit během procesu určité podmínky. Objem spalovacího vzduchu se obvykle přivádí s přebytkem 1,5 až 2,5 oproti stechiometrickému množství. Přebytek spalovacího vzduchu se dá vyjádřit jako: [3] n = L skut L min = O skut O min (1) (5) kde n je součinitel přebytku spalovacího vzduchu (1), L skut - skutečný normální objem spalovacího vzduchu přiváděného do spalovacího procesu 3 kg (mn -1 ), L min - stechiometrický normální objem spalovacího vzduchu (mn 3 kg -1 ), O skut - skutečný normální objem spalovacího kyslíku přiváděného do spalovacího procesu 3 kg (mn -1 ), O min - stechiometrický normální objem kyslíku (mn 3 kg -1 ). Další nezbytnou podmínkou k optimálnímu spalování odpadů je nutnost udržet požadovanou spalovací teplotu dodáváním potřebného množství tepla do reakční komory. Toho je docíleno buď vlastním hořením odpadu, nebo použitím stabilizačního paliva. Dle zákona č. 201/2012 Sb. musí být spaliny zdrženy v komoře dodatečného spalování při dostatečné teplotě po dobu minimálně 2 sekund. [1] 2.5 Zařízení pro spalování odpadu Zařízením pro spalování odpadu chápeme komplexní systém schopný realizovat všechny potřebné činnosti související se spalováním odpadu, jako je manipulace a doprava odpadu, jeho samotné spalování, filtrace a eliminace škodlivých odpadních produktů a případné generování a transformace užitečné energie. V současné době se klade důraz zejména na používání roštových spaloven s kontinuálním dávkováním a s možností využití energetického potenciálu paliva. [2] 5

19 Na obr. 2 je schematicky znázorněna spalovna společnosti SAKO Brno, a.s. Obr. 2. Spalovna společnosti SAKO Brno, a.s. [4] Na obrázku lze vidět základní části roštové spalovny a jednotlivé kroky procesu spalování odpadu. Odpad se po zvážení převeze do zásobníku, kde bývá udržován mírný podtlak k odsávání vzdušiny, která se dále používá jako primární spalovací vzduch. Ze zásobníku je odpad přepravován do spalovacího kotle pomocí jeřábového manipulátoru. Kotel se skládá z reverzibilního roštu, na kterém se odpad posunuje a obrací, a z hořáků na zemní plyn, které slouží k počátečnímu výhřevu reakční komory. Vyhořelá škvára je uhašena a putuje do zásobníku, kde je uložena pro další využití. Odpadní teplo z kotle slouží ke generaci elektrické energie turbínou. Spaliny před vypuštěním do ovzduší prochází filtračním systémem. [5] 2.6 Spalování odpadu na roštu Spalování odpadu na roštu je nejrozšířenější metoda pro spalování odpadů. Důvodem k používání této metody jsou zejména její vysoká spolehlivost a dostatek zkušeností s jejich provozem a údržbou. Nevýhodou proti ostatním metodám spalování odpadu je nižší intenzita spalování. Tento problém se v praxi řeší přívody sekundárního vzduchu nad rošt a instalací přídavných stabilizační hořáků. Na obr. 3 je schematicky znázorněno spalování odpadů na roštu. [1] 6

20 Obr. 3. Spalování odpadu na roštu [1] Celý proces lze rozdělit do několika fází: [1] 1. Fáze vysoušení: Počáteční ohřev odpadu a odpařování vlhkosti. 2. Fáze zplyňování: Ohřev odpadu na teploty v rozmezí C, dochází ke zplyňování hořlavých látek a vzniku těkavých složek. 3. Fáze zapálení (lokální hoření): Vznícení těkavých složek a vznik lokálních plamenů. 4. Fáze prohořívání (odhořívání):prohořívání do větší hloubky, nárůst intenzity hoření. Teplotní pole v rozmezí C. 5. Fáze hoření: Spojení jednotlivých ložisek hoření do souvislé plochy hoření, zvýšení teploty hoření vlivem spalování vyššího množství karbonizačního plynu a vzniklého polokoksu, nárůst teploty až na 1150 C. 6. Fáze vyhořívání: Vyhořívání všech hořlavých látek, uvolňování značného množství tepla, zvýšení teploty až k 1200 C, umělé udržování teploty pod bodem tavení popela. 3 PŘEHLED A POPIS PRŮMYSLOVÝCH HOŘÁKŮ PRO SPALOVÁNÍ PLYNNÝCH PALIV Hořáky pro spalování plynu se v průmyslových aplikacích používají v širokém rozsahu a jsou nedílnou součástí celé řady technologických spotřebičů, ať už se jedná o zařízení pro tepelné zpracování materiálů, ohřívací zařízení, reakční zařízení, zařízení sloužící pro vytápění, výrobu tepla, energie apod. Podstatné zastoupení mají plynové hořáky také i v domácích a komunálních spotřebičích. 7

21 Historie vzniku a vývoje prvních hořáků pro spalování plynných paliv souvisí se začátkem používání svítiplynu počátkem 19. století. První plynové hořáky byly velmi primitivní a spalovaly svítiplyn bez předmísení se vzduchem. Za zmínku stojí dobový koncept Bunsenova kahanu, který sestrojil prof. Wilhelm Robert Bunsen ( ), využívající ejekčního účinku paliva pro nasávání spalovacího vzduchu. Tento hořák je znázorněn na obr. 4 a své využití nalézá dodnes například jako laboratorní kahan. [6] Obr. 4. Bunsenův hořák. [7] Během téměř dvou století došlo díky rozmachu spalování plynných paliv k velmi rapidnímu vývoji celé řady plynových hořáků pro specifické aplikace. V současné době je při vývoji plynových hořáků kladen důraz hlavně na ekonomický a ekologický provoz. Využívá se jak moderní elektroniky k řízení a automatizaci jejich činnosti, tak moderních materiálů a výrobních operací pro zajištění maximální životnosti a účinnosti jejich součástí. 3.1 Definice plynového hořáku Plynový hořák je zařízení, ve kterém se chemická energie plynného paliva přeměňuje spalováním na energii tepelnou a slouží jako zdroj tepla pro plynové spotřebiče. [8] 8

22 3.2 Použití plynových hořáků Jak již bylo zmíněno, plynové hořáky se používají ve všech průmyslových odvětvích. V tab. 1 jsou pro představu stručně uvedeny některé spotřebiče s plynovými hořáky. [6] Tab. 1. Přehled aplikace průmyslových plynových hořáků v některých spotřebičích Oblast Strojírenský a hutnický průmysl Keramický průmysl Sklářský průmysl Stavební průmysl Chemický průmysl Potravinářský průmysl Zemědělství Spalovny odpadů Spotřebiče - ohřívací pece - pece pro tepelné zpracování - tavící pece barevných kovů - generátory ochranných atmosfér - technologické ohřevy a předehřevy - sušící pece - vypalovací pece - tavící vanové a pánvové pece - roztáčecí pece - šachtové pece pro výpal vápna - rotační pece pro výrobu cementu - pece pro sušení omítek - ohřevy chemických lázní - fluidní sušárny - vysokotlaké autoklávy - pásové pece na pečení chleba - sušičky a pražírny - varné kotle - sušárny plodin - vytápění skleníků - pece pro spalování komunálního odpadu - pece pro spalování nebezpečného odpadu - dospalovací pece škodlivých látek 9

23 3.3 Rozdělení plynových hořáků Hořáky pro spalování plynných paliv můžeme rozdělit do několika kategorií podle několika základních hledisek, viz tab. 2: [6] Tab. 2. Rozdělení hořáků pro spalování plynných paliv Hledisko Přetlak plynného paliva Použité okysličovadlo Přívod okysličovadla vzduchu do hořáku Způsob mísení paliva s okysličovadlem Způsob přenosu tepla v pracovním prostoru spotřebiče Způsob spalování směsi paliva s okysličovadlem Výstupní rychlost spalin Teplota spalovacího vzduchu Typy plynových hořáků - nízkotlaké hořáky (do 5 kpa) - středotlaké hořáky (5 až 400 kpa) - vysokotlaké hořáky (nad 400 kpa) - vzducho-palivové hořáky - kyslíko-palivové hořáky - vzducho-kyslíko-palivové hořáky - hořáky s nuceným přívodem okysličovadla - ejekční hořáky - hořáky bez mísení - hořáky s částečným předmísením - hořáky s úplným předmísením - hořáky s převážně konvekčním účinkem - hořáky sálavé - hořáky s volnými plameny - hořáky se spalovacími kanály - hořáky se spalováním na povrchu keramických desek - hořáky se spalováním v uzavřeném prostoru - hořáky s nízkou výstupní rychlostí spalin - hořáky se zvýšenou rychlostí výstupních spalin - vysokorychlostní hořáky - hořáky se studeným spalovacím vzduchem - hořáky s předehřátým spalovacím vzduchem - rekuperační hořáky - regenerační hořáky 10

24 Tab. 2. Rozdělení hořáků pro spalování plynných paliv Hledisko Řízení a ovládání Regulace výkonu Použití Spalovací prostor Typy plynových hořáků - hořáky s ručním řízením - hořáky automatické - hořáky jednostupňové - hořáky dvoustupňové a vícestupňové - hořáky modulované (s plynulou regulací) - hořáky zapalovací a stabilizační - hořáky výkonové - hořáky dospalovací - hořáky s volnými plameny - hořáky s keramickými spalovacími kanály - hořáky s žárobetonovými spalovacími kanály - hořáky se spalováním v pórovité vrstvě 3.4 Základní části hořáků pro spalování plynných paliv V následující kapitole budou popsány základní části hořáků. Na obr. 5 je vlevo znázorněn hořák s nuceným přívodem spalovacího vzduchu a s keramickým spalovacím kanálem, vpravo je pak stejný hořák znázorněn v řezu, který poslouží k popisu jeho základních částí. Existuje mnoho různých variant provedení a konstrukcí hořáků, proto je tento obrázek ilustrační. Obr. 5. Základní části hořáku pro spalování plynných paliv. [9] 11

25 Hořák se skládá z několika základních částí, které jsou v následujících podkapitolách popsány. Palivo vstupuje do hořáku plynovým tělesem, pokračuje plynovou trubicí až k ústí hořáku, kde se nachází trysky, kterými vytéká do keramického spalovacího kanálu. Vzduch je přiveden do vzduchového tělesa, pokračuje prodlouženou hořákovou trubicí až k vířiči, kterým je rozvířen a tento proud rovněž vytéká do keramického spalovacího kanálu, kde se svým dynamickým účinkem mísí s palivem. Hořák je k pecní stěně připevněn pomocí připojovací příruby. Vysokonapěťovou zapalovací jiskru poskytuje transformátor přes zapalovací elektrodu, která při zapalovacím signálu automatiky zapaluje hořlavou směs. Ionizační elektroda poskytuje zpětnou vazbu o přítomnosti plamene hořákové automatice Plynové těleso Plynovým tělesem hořáku rozumíme soubor komponent hořáků, kterými je vedeno plynné palivo od vstupu do hořáku až do místa výtoku z hořáku. Vstupní část pro palivo plynového tělesa je obvykle tvořena připojovací přírubou, či závitovým nátrubkem. Podle typu hořáku může obsahovat i plynovou trubici. Přes plynové trysky poté palivo vytéká za účelem mísení se se vzduchem. Na obr. 6 je zachyceno plynové těleso vířivého hořáku. Obr. 6. Plynové těleso vířivého hořáku. 12

26 3.4.2 Plynová tryska Plynová tryska je část hořáku, ve které se tlaková energie plynného paliva před vstupem do směšovače hořáku nebo do spalovacího kanálu, přeměňuje na energii kinetickou. [8] Rozměry a tvar plynových trysek se liší v závislosti na konkrétní aplikaci a určují výkon hořáku. U hořáků s nuceným přívodem spalovacího vzduchu je situace při dimenzování trysky podstatně jednodušší než u ejekčních hořáků. Díky mnohonásobně vyšší kinetické energii přiváděného spalovacího vzduchu je možné provést při výpočtech rozměrů trysek určitá zjednodušení a celkové nároky na kvalitu jejich provedení jsou nižší. Na obr. 6 lze vidět soubor palivových trysek rozmístěných okolo osy plynové trubice. U ejekčních hořáků je nutné dbát na zhotovení trysky s přesně danou geometrií. Uvažuje se zde s rychlostním součinitelem trysky ϕ, který vyjadřuje účinnost přeměny tlakové energie před tryskami na kinetickou energii. Rovněž při výtoku plynu s přetlakem vyšším než 5 kpa je nutné počítat se změnou jeho hustoty plynného paliva při proudění. Na obr. 7 jsou pro ilustraci znázorněny některé typy palivových trysek. [6] Obr. 7. Trysky ejekčních a injektorových hořáků britské společnosti AEM. [10] 13

27 3.4.3 Vzduchové těleso Vzduchové těleso je připojeno k rozvodu spalovacího vzduchu přírubou, či závitovým nátrubkem a vede spalovací vzduch k tryskám, případně k vířiči. Na obr. 8 je vyfotografováno vzduchové těleso, které slouží jako nosný prvek plynového tělesa, a je pomocí příruby upevněno k plášti spotřebiče. Připojení k rozvodu spalovacího vzduchu se v tomto případě provádí závitovým fitinkem. Obr. 8. Vzduchové těleso vířivého hořáku Vzduchová tryska, vířič spalovacího vzduchu Výtok spalovacího vzduchu bývá u hořáků s jeho nuceným přívodem realizován jednoduchou vzduchovou tryskou, případně jejich souborem. U polovířivých a vířivých hořáků bývá v ústí hořáku umístěn vířič, který svými geometrickými prvky rozviřuje spalovací vzduch a ten se následně mísí s palivem. Na Obr. 9 je čelní pohled na vířič, který je umístěn souose s plynovou trubicí. Vířivý účinek obstarává série tangenciálně vrtaných trysek a žeber. Obr. 9. Vířič hořáku s tangenciálně orientovanými tryskami a žebry. 14

28 3.4.5 Směšovač Ejekční hořáky využívají k nasávání spalovacího vzduchu z okolní atmosféry do směšovače ejekční účinek plynného paliva vytékajícího z trysky. Tam se poté obě složky mísí a vzniklá hořlavá směs proudí přes ústí hořáku do spalovacího prostoru. Princip nasávání spalovacího vzduchu je znázorněn na obr. 10. Tryskou je do směšovače přiváděno plynné palivo s přetlakem, které vytéká do směšovače a vytváří v něm podtlak. Tímto je do směšovače, který má tvar difuzoru, nasáván primární spalovací vzduch. [6] Obr. 10. Směšovač ejekčního hořáku. [8] Ústí plynového hořáku Ústí plynového hořáku je část hořáku, ze které vystupují plynné palivo a spalovací vzduch, případně předmísená plynovzdušná směs do spalovacího kanálu hořáku, nebo do spalovacího prostoru spotřebiče. [8] Ejekční hořáky se v provedení jejich ústí značně liší. Ústí nízkotlakých ejekčních hořáků musí být konstruováno tak, aby se do plamene dostávalo dostatečné množství sekundárního vzduchu. Středotlaké injektorové hořáky mají obvykle kovové ústí kruhového průřezu, na které navazuje na keramický spalovací kanál (obr. 11), případně lze využít stabilizátoru plamene (obr. 12) a hořák nemá vlastní spalovací kanál zde hovoříme o volném plamenu. Obr. 11. Ústí středotlakého injektorového hořáku se spalovacím kanálem. [6] Obr. 12. Ústí středotlakého injektorového hořáku se stabilizátorem. [6] 15

29 Atmosférické hořáky používané pro technologické ohřevy (např. ohřev zápustek, vysušování transportních mezipánví apod.) bývají opatřeny ústími zhotovenými z trubek s vrtanými otvory pro výtok plynovzdušné směsi (obr. 13). U hořáků s nuceným přívodem vzduchu bývá ústí hořáku tvořeno kovovou trubicí (obr. 14 vpravo). Obr. 13. Ústí ejekčního hořáku se spalovacím kanálem. [11] Obr. 14. Kovové ústí stí hořáku s nuceným přívodem spalovacího vzduchu. [9] Spalovací kanál a tvarovka hořáku Tvarovka je součást hořáku vyrobená ze žáruvzdorného materiálu, která zpravidla bývá uložena ve vyzdívce zařízení. Ve tvarovce je vytvořen spalovací kanál hořáku, kde probíhá spalování hořlavé směsi. Na obr. 15 lze vidět zhotovenou hořákovou tvarovku ze žáruvzdorného materiálu, na obr. 16 pak lze vidět tvarovky při provozu hořáků. [8] Obr. 15. Hořáková tvarovka ze žáruvzdorného materiálu. [12] Obr. 16. Hořákové tvarovky při provozu hořáků. [12] Optimální tvar a rozměry spalovacího kanálu jsou velmi důležité pro zajištění stability a požadovaného tvaru plamene, správného mísení a spalování paliva s okysličovadlem a správné určení průtoků médií z tlakových ztrát. Výrobce hořáku obvykle předepisuje rozměry spalovacího kanálu pro daný typ hořáku. Na obr. 17 je znázorněn spalovací kanál pro hořák s plochým plamenem. [12] 16

30 Obr. 17. Tvar spalovacího kanálu pro vířivý hořák s plochým plamenem. [9] Materiály používané k výrobě tvarovek jsou nejčastěji vypalované polotovary ze šamotu, dinasu a korundu, případně se používají plastické dusací hmoty. Spalovací kanál rekuperačních a vysokorychlostních hořáků, který je většinou dodáván jako součást hořáku, bývá zhotoven z materiálů založených na rekrystalizovaném karbidu křemíku SiC (obr. 19). Tvarovky vyrobené z tohoto materiálu se vyznačují vysokou odolností vůči erozivním účinkům spalin o teplotách až 1900 C. V tomto případě se místo tradičních vyzdívek využívají vláknité materiálů typu SIBRAL, kdy výrobce udává teplotní únosnost až 1430 C (obr. 18). [6] Obr. 18. Využití vláknité izolace. [13] Obr. 19. Hořák se spalovacím kanálem z materiálu na bázi SiC. [9] Hořáková deska, zapalovací a pozorovací otvor Hořáková deska je součást plynového hořáku, která slouží k upevnění hořáku na stěnu spotřebiče a k uložení hořákové tvarovky. [8] Zapalovací otvor bývá umístěn v hořákové desce (obr. 20) a vede tvarovkou až k ústí hořáku. Slouží k ručnímu zapalování hořáku např. ručním přenosným hořákem. Pozorovací otvor je obvykle umístěn na plynové nebo vzduchové části, či na hořákové desce a slouží k pozorování plamene. 17

31 Obr. 20. Hořáková deska se zapalovacím otvorem. 3.5 Řídící, ovládací a regulační prvky automatických hořákových systémů K zajištění spolehlivého a bezpečného automatického provozu plynového hořáku je nutné vybavit daný systém dalšími řídicími, ovládacími a regulačními prvky. Jejich množství a pořizovací náklady závisí na konkrétní aplikaci a stupni automatizace systému Uzavírací prvky přívodů médií Neodmyslitelnou součástí každého hořákového systému jsou uzavírací prvky, kterými je možno bezpečně uzavřít přívod paliva, případně okysličovadla. Přívody paliva pro hořáky bývají osazeny ručními a samočinnými uzavíracími ventily. V případě ručních ventilů se nejčastěji setkáváme s kulovými kohouty, případně s uzavíracími klapkami. Nejčastěji používané samočinné ventily jsou solenoidové (obr. 21) a pneumatické (obr. 22). Ruční ventily se používají pro ruční ovládání přívodu paliva do hořáku, případně pro nouzové odstavení přívodu plynu v případně nutnosti servisních prací na hořáku, aniž by musel být odstaven hlavní přívod paliva ke spotřebiči. Nejdůležitější funkcí uzavíracích ventilů je jejich těsnost v případě, že není žádoucí dodávat hořáku v daný moment palivo. U samočinných ventilů se klade důraz na jejich těsnost i v případě poruchy ovládacího signálu (elektrického, pneumatického), tedy aby byly těsně uzavřeny při výpadku napájení, či selhání dodávky tlakového ovládacího média do pneumatického pohonu. Takové ventily označujeme jako ventily NC (NC = z anglického normally closed ). 18

32 Obr. 21. Solenoidové uzavírací ventily. [9] Obr. 22. Uzavírací klapka s pneumatickým pohonem. [14] Zapalovací systém hořáku Při ručním zapalování hořáků je plynovzdušná směs zapalována obsluhou zařízení, nejčastěji pomocí ručního hořáku. Moderní systémy jsou vybaveny automatickými zapalovacími zařízeními. Nejrozšířenější metodou je zapalování pomocí vysokonapěťové jiskry, kterou poskytuje zapalovací transformátor. Hořáky mohou být zapalovány i tzv. pilotním hořákem o malém výkonu, který je umístěn tak, aby zapaloval hlavní hořák, zatímco sám je zapalován vysokonapěťovou jiskrou, případně ručně. Přenos zapalovacího proudu je realizován přes zapalovací elektrody, které musí být od hořáku izolovány tak, aby jiskrový oblouk přeskočil v požadovaném místě zapálení hořlavé směsi. Na obr. 23 je zachycena vysokonapěťová jiskra mezi hlavicí zapalovací elektrody a kolíkem. Obr. 23. Jiskrový oblouk mezi zapalovací elektrodou a kolíkem hořáku. 19

33 3.5.3 Detekce plamene Detektor plamene je hlavním bezpečnostním snímačem hořáku. Primární funkcí hlídače plamene je poskytovat zpětnou vazbu hořákové automatice o přítomnosti plamene. Pokud se stabilní plamen při zapalování nevytvoří, nebo dojde k jeho ztrátě při provozu, musí automatika okamžitě uzavřít přívod paliva do hořáku k zamezení výtoku paliva do pracovního prostoru zařízení Termoelektrický detektor plamene U malých hořáků, zejména u zapalovacích, se často využívá pojistky založené na principu termoelektrického jevu. Z uvedených snímačů je jediný aktivní. V plamenu je umístěn termočlánek, který při svém zahřívání generuje napětí nutné k aktivaci solenoidového ventilu. Výhodou takovéhoto systému je nenáročnost elektrického zapojení a fakt, že není potřeba používat automatiku k ovládání hořáku. Na obr. 24 je vidět zapojení ručního termoelektrického ventilu. Při stisknutí tlačítka horní ventilový disk uzavře přívod paliva. Tyčinka zatlačí spodní ventilový disk dolů a je otevřen přívod paliva pro pilotní hořák. Pokud je k tlačítku připojen spínač zapalovacího transformátoru, dojde k jiskření a zapálení hořáku. Po zahřátí termočlánku se vytvoří dostatečné vysoké napětí k udržení spodního ventilového disku na cívce. Po uvolnění stisku tlačítka se otevře přívod paliva pro hlavní hořák. Obr. 24. Termoelektrický ventil (vlevo) a jeho zapojení do systému s pilotním hořákem (vpravo). [9] 20

34 Nevýhodou termoelektrických ventilů je určitá prodleva, než dojde k uzavření přívodů paliva po selhání hořáku Ionizační detektor plamene Při spalování uhlovodíků dochází k tvorbě vodivých iontů a plamen je tedy schopný vést elektrický proud. Hlídač je založený na principu dvou elektrod, kdy jedna je vložena do plamene a druhá je tvořena ústím hořáku. Mezi tyto elektrody je přiloženo malé napětí, díky kterému začne obvodem protékat elektrický proud, který je usměrněn plamenem a přiváděn do zpět do automatiky, která vyhodnotí přítomnost plamene. Pokud dojde ke ztrátě plamene, tak se elektrický obvod přeruší a automatika uzavře přívod paliva. Velikost elektrického proudu se pohybuje řádově v μa a při měření ionizačního proudu lze posuzovat stabilitu plamene. Stabilní hodnoty ionizačního proudu znamenají stabilní hoření. Schéma ionizačního hlídání plamene hořáku je znázorněno na obr. 25. Obr. 25. Princip ionizačního hlídání plamene. Výhodou ionizačního hlídače plamene je okamžitá reakce automatiky na ztrátu plamene ve formě uzavření přívodů paliva UV detektor plamene Třetím nejrozšířenějším snímačem používaným k detekování plamene u průmyslových hořáku je sonda citlivá na ultrafialové záření. Snímače tohoto typu pracují v rozsahu vlnových délek ultrafialového záření nm. Sonda se zpravidla umísťuje co nejblíže k ose hořáku. Používá se u hořáků, u kterých není možné použití ionizačních elektrod. Reakce na ztrátu plamene je okamžitá. Na obr. 26 je zobrazena UV sonda vhodná k instalaci do pozorovacího otvoru hořáku. [15] Obr. 26. UV detektor plamene. [9] 21

35 Automatika plynového hořáku Automatikou plynového hořáku označujeme soubor zařízení, který provádí ovládání a regulaci hořáku, kontrolu a řízení bezpečnostních funkcí, případně reaguje na řídící signály nadřazeného systému. Mezi základní funkce automatiky patří ověření bezpečnostních podmínek pro start hořáku a provedení bezpečnostního řetězce, například kontrolou těsnosti palivových ventilů, nebo provětráním spalovacího prostoru. Automatika rovněž rozvádí řídící signály pro ventily a zapalovací systém, vyhodnocuje plamen a reaguje na jeho změny. Na obr. 27 je znázorněna automatika plynového hořáku, která pracuje s 27 parametry, z toho 13 z nich lze nastavit (například logiku otevírání ventilů, ionizační práh, zapalovací dobu, chování hořáku při poruše). Z automatiky lze jednoduše vyčíst nastavené parametry a zjistit určité údaje, jako provozní stav hořáku, hodnotu ionizačního proudu či kód poslední poruchy. Obr. 27. Automatika plynového hořáku. [9] Regulační armatury přívodů médií do hořáku Mezi základní regulační prvky pro ovládání přívodů médií, kterými lze regulovat výkon hořáku, či spalovací poměr řadíme zejména regulátory tlaku, poměrové ventily, škrticí klapky a ventily Regulátory tlaku plynu Úkolem regulátoru tlaku plynu je regulovat jeho výstupní tlak na konstantní požadovanou hodnotu. Nejčastěji se jedná o vstupní tlaky na přípojce do hořákového systému, který předepisuje jejich výrobce. Na obr. 28 lze vidět membránový regulátor tlaku plynu, u kterého se mění žádaná výstupní hodnota stlačováním pružiny působící na membránu regulátoru. Obr. 28. Regulátor tlaku plynu. [16] 22

36 Škrticí klapky Škrticích klapek se využívá hlavně při regulaci výkonu hořáků. Své největší uplatnění nacházejí u plynulé regulace výkonu a nejčastěji bývají poháněny servomotorem. U plynových hořáků je velmi časté užití systému vzduchové regulační klapky s poměrovým regulátorem tlaku paliva. Tento systém je popsán v následujících kapitolách. Na obr. 29 lze vidět škrticí klapku se servomotorem. Obr. 29. Regulační klapka se servomotorem. [9] Poměrové ventily Poměrové ventily slouží k udržování konstantního spalovacího poměru mezi palivem a spalovacím vzduchem. Na obr. 30 jsou dva poměrové ventily. Ventil vlevo je klasický solenoidový ventil dovybavený poměrovou regulační jednotkou. Ventil vpravo je membránový poměrový regulátor. Na tyto armatury je přiveden impuls z potrubí spalovacího vzduchu. Pokud dojde ke změně přetlaku spalovacího vzduchu na hořáku, dojde ke změně polohy otevření poměrového ventilu, díky změně silového působení na jeho membránu. Obr. 30. Poměrové ventily. [9] 23

37 Přesné škrtící ventily Jemnými škrtícími ventily se docílí přesného nastavení požadovaného tlaku za daných podmínek. Na obr. 31 je zobrazeno různé provedení přesných škrtících ventilů. Obr. 31. Přesné škrtící ventily. [9] Automatická regulace výkonu plynových hořáků Následující kapitola je věnována určitým pojmům souvisejících s problematikou řízení a regulace plynových hořáků, která bude rozebrána na konkrétních příkladech. Vhodné řízení, správný výběr a zapojení armatur dává možnost provozovat tentýž hořák jako skokově regulovaný (vypnuto zapnuto, minimální maximální výkon), či plynule regulovaný Skoková regulace výkonu plynového hořáku Hořák se skokovou regulací pracuje pouze v určitých diskrétních hodnotách výkonu a nemůže pracovat v žádném bodě mezi nimi. Zapojením vhodných armatur do systému lze docílit například regulace vypnuto zapnuto, či minimální - maximální výkon. V tomto případě můžeme použít systém řízení 0 a 1, kdy signálem 1 bude přivedení napájení na automatické ovládací prvky systému (uzavírací a regulační ventily, zapalovací transformátor apod.) a bude vyhodnocována přítomnost plamene. Na obr. 32 je znázorněna skoková regulace hořáku vypnuto zapnuto. Řídicí systém pošle automatice signál pro zapálení hořáku. Automatika prověří bezpečnostní podmínky a v případě jejich splnění pošle napájení na solenoidové palivové ventily a vzduchový ventil. Současně posílá signál zapalovacímu transformátoru signál k vytvoření vysokonapěťové jiskry. 24

38 Obr. 32. Schéma zapojení součástí systému skokově regulovaného hořáku Plynulá regulace výkonu plynového hořáku Plynule (spojitě) regulovaný hořák je schopen pracovat v jakémkoliv bodě jeho pracovního rozsahu, tedy v bodech ležícími mezi minimálním a maximálním výkonem hořáku. Tento způsob regulace bývá nejčastěji realizován pomocí regulačních klapek se servomotory a často se používá v kombinaci spolu s poměrovou regulací. Systém regulace na konstantní spalovací poměr je založen na principu přenosu tlakového signálu spalovacího vzduchu do poměrové regulační armatury plynného paliva. Na obr. 33 je možné vidět přivedení impulsního potrubí malé dimenze z úseku mezi regulační klapkou a škrtícím ventilem do poměrového solenoidového ventilu zemního plynu s membránou. Se zvyšujícím se přetlakem spalovacího vzduchu dojde k zesílení tlakového signálu spalovacího vzduchu, což vede ke zvýšení silového působení na membránu a otevření palivového ventilu. Z tohoto zapojení je tedy zřejmé, že regulačním prvkem tohoto systému je servomotor vzduchové klapky, který přijímá řídicí signály v rozsahu například 4 20 ma. Změnou polohy vzduchové klapky dochází ke změně tlaku spalovacího vzduchu a v závislosti na ní i ke změně tlaku paliva přiváděného do systému. Správným nastavením dílčích komponent celého systému lze docílit konstantního spalovacího poměru v celém výkonovém spektru hořáku. 25

39 Obr. 33. Schéma zapojení součástí systému plynule regulovaného hořáku. 3.6 Přehled průmyslových plynových hořáků Ejekční hořáky Ejekční hořáky tvoří velmi širokou skupinu hořáků a používají se pro nejrůznější (nejen) průmyslové aplikace. Ejekční hořáky využívají ejekčního účinku plynného paliva k nasávání spalovacího vzduchu do směšovače, proto ke své činnosti nepotřebují zdroj spalovacího vzduchu. [6]: Nízkotlaké ejekční hořáky Nízkotlaké ejekční (též označovány jako atmosférické) hořáky mají své hlavní zastoupení v domácí a komunální sféře, kde se vyskytují v nejrůznější spotřebičích, jako jsou sporáky, průtokové ohřívače apod. Jsou však využívány i v průmyslu například pro malé technologické ohřevy, či zapalovací hořáky. Nevýhodou nízkotlakých ejekčních hořáků je fakt, že do směšovače jsou schopny díky nízké energii plynného paliva nasát pouze část potřebného spalovacího vzduchu, které se říká primární spalovací vzduch. Zbylá část, sekundární vzduch, se do plamene přivádí tahem spotřebiče. Na obr. 34 je možno vidět dva identické průmyslové nízkotlaké ejekční hořáky. Ze spodního hořáku byla demontována ochranná trubice s otvory pro nasávání sekundárního vzduchu a palivová tryska. Na fotografii lze rovněž vidět i otvory pro nasávání primárního vzduchu a jejich regulační kroužek. Na obr. 35 je pak takový hořák zobrazen v konkrétní aplikaci jako zapalovací hořák plamenné clony proti ochranné atmosféře pecního prostoru. 26

40 Obr. 34. Nízkotlaký ejekční hořák. Obr. 35. Zapalovací nízkotlaký ejekční hořák plamenné clony. Výhodou nízkotlakých ejekčních hořáků je, že nepotřebují přívod spalovacího vzduchu, nevyžadují vysoké přetlaky plynného paliva, jsou nenáročné na údržbu a mají nízké provozní náklady. Hlavní nevýhodou je pak měkký, málo stabilní plamen. 27

41 Středotlaké, injektorové hořáky Díky vyšší kinetické energii plynného paliva jsou tyto hořáky již schopny nasát veškeré množství spalovacího vzduchu potřebného k jeho dokonalému spálení. Injektorové hořáky se v průmyslu využívají k vytápění plynových pecí jako výkonové i pilotní hořáky. [6] Na obr. 36 je středotlaký pilotní injektorový hořák. Obr. 36. Středotlaký injektorový hořák. [11] Tak jako u atmosférických hořáků je jejich hlavní výhodou fakt, že ke svému provozu nepotřebují přívod spalovacího vzduchu. Uvádí se, že úspora elektrické energie potřebná pro provoz ventilátoru a armatur vzduchového potrubí se vyrovná zhruba dvěma procentům celkového tepelného příkonu pece. Další velkou předností je jejich hospodárnost při spalování paliva díky schopnosti autoregulace spalovacího poměru. Vyžadují sice středotlaký rozvod zemního plynu, ale díky tomu je světlost použitého potrubí a armatur nižší než u nízkotlakých rozvodů. Obrovskou nevýhodou je však fakt, že nedokáží spalovat palivo s předehřátým vzduchem a šetřit tak energii, což vede k postupnému omezování jejich vývoje. [6] Hořáky s nuceným přívodem spalovacího vzduchu Hořáky s nuceným přívodem spalovacího vzduchu tvoří velmi rozmanitou skupinu průmyslových hořáků. Nejčastěji se používají k vytápění průmyslových plynových pecí Souproudé hořáky Souproudý hořák využívá nuceného přívodu okysličovadla a je charakteristický svým dlouhým, měkkým plamenem. Tohoto tvaru plamene je docíleno konstrukcí hořáku, kdy obě média jsou přiváděna paralelně s osou hořáku. Na obr. 37 je schematicky znázorněn souproudý hořák, na obr. 38 je pak zachycen souproudý kyslíko-palivový hořák v činnosti. Svého využití nalézají souproudé hořáky tam, kde je potřeba dlouhého, měkkého plamene (např. sušící pece). 28

42 Obr. 37. Schéma souproudého hořáku. Obr. 38. Plamen souproudého kyslíko-palivového hořáku Polovířivé a vířivé hořáky Tyto hořáky jsou velmi používané pro vytápění průmyslových pecí. Charakteristickým znakem těchto hořáků jsou geometrické prvky pro rozvíření spalovacího vzduchu, jako tangenciálně umístěné situované trysky a žebra. Hořáky se vyznačují ostrými a stabilními plameny. Polovířivé hořáky mají nižší vířící účinek spalovacího vzduchu než vířivé, proto hořlavá směs vyhořívá na delší dráze, zatímco vířivé hořáky se vyznačují krátkým a ostrým plamenem. Mezi jejich hlavní výhody patří dobré mísení plynovzdušné směsi a možnost použití předehřátého vzduchu. Nevýhodou je potřeba nuceného přívodu spalovacího vzduchu a v případě polovířivých hořáků slabší dynamický účinek spalin pro vytvoření homogenního 29

43 teplotního pole v pracovním prostoru spotřebiče. Na obr. 39 jsou zachyceny plameny polovířivých hořáků. [6] Obr. 39. Plameny polovířivých hořáků Vysokorychlostní hořáky U vysokorychlostních hořáků se v technické literatuře dá setkat označením impulzní hořáky. Takové označení není úplně správné, jelikož správně nevystihuje fyzikální podstatu funkce těchto hořáků. Moderní vysokorychlostní hořáky jsou vybaveny tvarovkou z rekrystalizovaného karbidu křemíku (viz obrázek obr. 19), která udílí spalinám výstupní rychlost v rozmezí m s -1. Spaliny o takové rychlosti mají svým dynamickým účinkem velmi silnou schopnost mísení s atmosférou pece, což se projevuje homogenním teplotním polem v pracovním prostoru spotřebiče. Hořáky jsou charakteristické velmi krátkým a ostrým plamenem, jak je možné vidět na obr. 40. [6] Obr. 40. Plamen vysokorychlostního hořáku. Kromě zmíněného homogenního teplotního pole je výhodou těchto hořáků možnost využít předehřátého spalovacího vzduchu. Tvarovka z materiálu na bázi SiC rovněž poskytuje ochranu plamene proti odtržení a je schopná odolat teplota až 2000 C. Nevýhodou těchto hořáků je vyšší pořizovací cena, která však může být kompenzována ušetřením části nákladů 30

44 použitím vláknité vyzdívky namísto tradičních keramických, jelikož není nutné vyzdívat pec a zhotovovat spalovací kanály pro hořáky Rekuperační a regenerační hořáky Výhodou rekuperačních a regeneračních hořáků je, že ke své činnosti využívají předehřátý spalovací vzduch. Teplo získané k ohřívání spalovacího vzduchu je většinou odpadní a nebylo by dále využito. Rekuperací se jeho část vrací zpět do pracovního prostoru spotřebiče a dochází tak k úspoře paliva Rekuperátory a rekuperační hořáky Většinu rekuperačních hořáků můžeme kategorizovat jako nízkotlaké hořáky s nuceným přívodem spalovacího vzduchu. Pro ohřev plynových pecí se v dnešní době používají hlavně dva způsoby rekuperace. První z nich je společná rekuperace pro větší počet hořáků. Na peci je umístěn centrální rekuperátor, který je připojen na společný odtah. V rekuperátoru probíhá přenos tepelné energie z proudících spalin na spalovací vzduch pro hořáky. Rekuperátory se dělí podle materiálu, ze kterého je vyrobena dělící stěna, způsobu sdílení tepla a systému proudění spalin a vzduchu. Na obr. 41 je schematicky znázorněn trubkový rekuperátor s vícenásobně zkříženým proudem. [3] Obr. 41. Trubkový rekuperátor s vícenásobně zkříženým proudem. [17] Druhým způsoben rekuperace tepelné energie pro ohřívání spalovacího vzduchu je použití hořáku s vestavěným rekuperátorem přímo v tělese hořáku (viz obr. 42). Obr. 42. Hořák s vestavěným rekuperátorem. [9] 31

45 Do hořáku je přiveden studený spalovací vzduch, jenž se ohřívá při proudění uvnitř vestavěného rekuperátoru. Součást hořáku zvaná eduktor (která je v tomto případě rovněž zabudovaná uvnitř hořáku) vyvíjí podtlak a spaliny z pecního prostoru jsou tak nasávány zpět ho hořáku a proudí vnějším prostorem kolem rekuperátoru, přes který je teplo sdíleno spalovacímu vzduchu. Spaliny jsou odváděny ejekčním účinkem eduktoru do společného odtahu. Na obr. 43 lze vidět použití rekuperačních hořáků na zařízení pro tepelné zpracování ocelových materiálů a na obr. 44 je zachycen pohled do jejího pracovního prostoru se zapálenými hořáky. Obr. 43. Rekuperační hořáky. Obr. 44. Pracovní prostor pece s rekuperačními hořáky. Oproti centrálnímu rekuperátorů je použití rekuperačních hořáků velmi výhodné v účinnosti rekuperace. Uvádí se, že při teplotách spalin v pracovním prostoru pece je klasický rekuperátor schopen ohřát vzduch maximálně na 450 C. Rekuperační hořáky dokáží při stejné 32

46 teplotě pracovního prostoru předehřát proudící vzduch až na 700 C. Další výhodou je fakt, že konstrukce těchto hořáků umožňuje dvoustupňové spalování, což vede ke snížení NOx emisí. Výstupní rychlost spalin se u takovýchto hořáků pohybuje od 80 do 100 m s -1, což odpovídá parametrům vysokorychlostních hořáků. Nevýhodou jsou vyšší pořizovací náklady a poměrně složitá konstrukce vyžaduje náročnější údržbu. Tvarovky a rekuperátory bývají vyrobeny z poměrně drahých materiálů, jako je kanthal, nebo dříve zmíněný rekrystalizovaný karbid křemíku (SiC). [6] Regenerátory a regenerační hořáky Regenerační hořák funguje na podobném principu, jako rekuperační hořák s integrovaným rekuperátorem v tělese hořáku. Nejčastěji se používá dvojice regeneračních hořáků, kdy jeden je v činnosti a spaluje palivo s horkým vzduchem a druhý funguje jako odtah spalin a akumuluje teplo v regenerátoru. Poté dojde k reverzaci a první hořák se přepne do režimu odtahu a akumulace, zatímco druhý začne spalovat palivo s horkým vzduchem využívající naakumulované teplo. Na obr. 45 je znázorněn celý regenerační cyklus obou hořáků. Horní obrázek znázorňuje první krok spalování, spodní obrázek pak druhý krok (reverzovaný děj). Obr. 45. Regenerační cyklus. [18] Teplota předehřátého vzduchu dosahuje až 1000 C, což umožňuje použití této technologie pro zařízení s teplotou pracovního prostoru až 1500 C. Úspory oproti použití spalování se studeným vzduchem dosahují % a oproti rekuperačním systémům %. Akumulační látka regenerátoru musí odolávat vysokým teplotám spalin a korozním vlivům, proto se pro tyto aplikace používají keramické kuličky na bázi aluminy (Al2O3), nebo zirkon-mullitických materiálů. [18] 33

47 3.6.4 Sálavé hořáky U těchto hořáků je hlavním mechanismem přenosu tepla na materiál a vyzdívku spotřebiče sálání. Při navrhování spotřebičů se sálavými hořáky je nutné brát v potaz hlavní fyzikální zákonitosti sálání a to sice, že množství vyzářeného tepla je přímo úměrné ploše povrchu sálajícího tělesa, čtvrté mocnině jeho absolutní teploty a že intenzita sálání klesá úměrně s rostoucím úhlem sklonu zářící a ozařované plochy. Sálavé hořáky se velmi dobře uplatňují v aplikacích s pracovními teplotami nad 900 C při ohřevu rovných, nečlenitých ploch (např. plechů a bram). [6] Hořáky s plochým plamenem Hořáky s plochými plameny jsou konstruovány tak, aby radiální složka rychlosti spalovacího vzduchu dosahovala vysokých hodnot a plamen měl ve speciálně tvarovaném spalovacím kanále tvar rotujícího kotouče, který zahřívá okolní vyzdívku a sálá na ohřívané plochy. Na obr. 46 lze vidět ploché plameny sálavých hořáků. [6] Obr. 46. Ploché plameny sálavých hořáků Sálavé trubice Sálavé trubice jsou v dnešní době nejpoužívanější sálavé hořáky pro spalování plynných paliv v průmyslu. Jejich výhoda spočívá hlavně v tom, že díky spalování hořlavé směsi v uzavřeném prostoru (trubici) nedochází ke kontaktu vsázky se spalinami z hořáků, což je nezbytné pro některé technologické procesy. Do sálavých trubic se instalují rekuperační hořáky, které dokáží velmi efektivně využívat odpadní teplo vystupujících spalin k předehřevu spalovacího vzduchu. Spaliny ohřívají plášť sálavých trubic, které vyzařují tepelnou energii do pracovního prostoru spotřebiče. Na obr. 47 lze vidět možnosti provedení sálavých trubic. Používají se dva základní druhy. Trubice bez recirkulace spalin a s recirkulací spalin. Častěji se využívají trubice s recirkulací spalin, díky rovnoměrnějším teplotám na povrchu trubic a nižší tvorbě NOx emisí. Moderní plášťové trubice mají spalovací kanály zhotovené z keramiky 34

48 na bázi SiC, samotné trubice se pak vyrábějí ze žáruvzdorných ocelí s obsahem chromu 25 až 30 % a niklu 32 až 38 % Moderní je i využívání kanthalových slitin. Nevýhodou těchto trubic je jejich pořizovací cena a životnost, která se zkracuje s rostoucí teplotou v pracovním prostoru spotřebiče. Nejčastějším příkladem použití sálavých trubic jsou pece pro tepelné zpracování materiálu s řízenou atmosférou. [18] Obr. 47. Provedení sálavých trubic. [18] Infrazářiče a tmavé zářiče Plynový infrazářič pracuje na principu atmosférického, nebo injektorového hořáku a spaluje plynovzdušnou směs na povrchu většinou keramických desek, které se tímto způsobem zahřívají na teploty 800 až 1000 C. Tyto hořáky sálají dominantně v oblasti infračerveného záření. Na obr. 48 je zobrazen injektorový infrazářič. Tyto infrazářiče se používají k technologickému nízkoteplotnímu vytápění například sušáren. [8] Obr. 48. Injektorový infrazářič. [19] 35

49 Moderní tmavé zářiče mají nucený přísun spalovacího vzduchu vlastním ventilátorem a rovněž využívají nuceného odvodu spalin pryč z vytápěného objektu. Tepelná energie je vyzařována trubicí, ve které hoří měkký plamen. Tyto hořáky se používají například k vytápění průmyslových výrobních hal, kde je potřebné čisté ovzduší. Na obr. 49 je znázorněn plynový infrazářič. [8] Obr. 49. Tmavý zářič. [20] Výhodou infrazářičů je vyšší účinnost vytápění oproti centrálním topným a cirkulačním vzduchovým systémům, díky soustředěnému tepelnému toku Blokové hořáky Blokové hořáky využívají nuceného přívodu spalovacího vzduchu, který je generován radiálním ventilátorem zabudovaným přímo v hořáku. Tyto hořáky bývají v dnešní době vyráběny a dodávány jako komplexní zařízení sestávající se ze všech nezbytných komponent pro jejich provoz, jako jsou programovatelné digitální automatiky, palivové ventily s kontrolou těsnosti, servomotory vzduchových a palivových klapek, apod. Hořáky se provádějí v kompaktním provedení (obr. 50) s výkony od cca 10 kw a ve skříňovém provedení velkých hořáků (obr. 51) dosahujících výkonů i přes kw. Nevýhodou těchto hořáků je nemožnost využití rekuperace odpadního tepla spalin. Hořáky se nejčastěji využívají k ohřevu plynových kotlů. [6] Obr. 50. Kompaktní blokový hořák. [21] 36

50 Obr. 51. Skříňový blokový hořák. [21] Kyslíko-palivové a vzducho-kyslíko-palivové hořáky Jako okysličovadlo pro spalovací procesy se nejčastěji využívá atmosférický vzduch, u kterého se při tepelně technických výpočtech počítá se složením 21 % O2 a 79 % N2. Největším problémem při používání atmosférického vzduchu je jeho majoritní složka v podobě dusíku. Ten se při hoření paliva s okysličovadlem pouze ohřívá a nijak se nepodílí na probíhající chemické reakci. Tímto se snižuje efektivita spalovacího procesu. Efektivitu spalování paliva lze zvýšit použitím kyslíkové technologie. Hovoříme tak o kyslíkem obohaceném spalování, neboli OEC (z anglického oxygen enhanced combustion ). V současné době se využívají čtyři hlavní metody obohacování spalovacího procesu kyslíkem: 1. Zvyšování koncentrace O2 ve spalovacím vzduchu (tzv. předmísení). (obr. 52) 2. Injektáž kyslíku do plamene. (obr. 53) 3. Současné přivádění vzduchu a O2 do hořáku (tzv. bez předmísení). (obr. 54) 4. Nahrazení spalovacího vzduchu kyslíkem. (obr. 55) Obr. 52. Zvyšování koncentrace O2 ve spalovacím vzduchu. [18] Obr. 53. Injektáž O2 do plamene. [18] 37

51 Obr. 54. Současné přivádění vzduchu a O2 do hořáku. [18] Obr. 55. Nahrazení spalovacího vzduchu kyslíkem. [18] V závislosti na použité metodě lze docílit různých tvarů plamene, zvýšení spalné teploty a intenzifikace spalování. Rovněž díky možnosti vícestupňového spalování lze efektivně potlačit tvorbu NOx emisí. Při návrhu spalování s OEC technologií je nutné zvážit ekonomickou návratnost investice. Rovněž je nutné brát v potaz bezpečnost při práci a manipulaci s kyslíkovými zařízeními. 3.7 Základní veličiny související s problematikou plynových hořáků Při studiu a navrhování systémů hořáků na plynná paliva jsou potřebné níže uvedené základní pojmy a vztahy Přetlaky médií Palivo a okysličovadlo jsou do hořáku přiváděny o určitém přetlaku k překonání tlakových ztrát při proudění. Jmenovitý přetlak paliva (okysličovadla) je hodnota tlaku odpovídající jmenovitému výkonu hořáku. Maximální přetlak paliva (okysličovadla) je hodnota tlaku odpovídající maximálnímu výkonu hořáku. Minimální přetlak paliva (okysličovadla) je hodnota tlaku odpovídající minimálnímu výkonu hořáku. [6] 38