NOVE GENERACIJE GORILNIKOV IN ZNIŽEVANJE CO 2 Martin Klančišar Weishaupt d.o.o., Celje 1. Gorilniki kot naprave za zgorevanje različnih energentov so v svojem razvoju dosegli zavidljivo raven učinkovitosti in minimalnega onesnaževanja. Danes že normalne vrednosti predvsem pa še dodatno znižane vrednosti emisij dosegajo izredno kvalitetne učinke. Tako lahko danes na primer celo oljni gorilniki izvedb»multiflam «(slika 1) dosegajo vrednosti emisij NOx celo pod 160 mg/kwh. V primeru, da pa te vrednosti preračunavamo na referenčne vrednosti: - vlažnost zraka 10 g/kg - temperatura zraka 20 C - količina dušika v gorivu 140 mg/kg so rezultati še ugodnejši (slika 2) in so realno pod 100 mg/kwh kar je rezultat, ki je zelo blizu zgorevanju plina. Slika 1: Multiflam 65
Slika 2: Vrednosti NOx glede na različne tipe gorilnikov 2. Seveda pa je pomembno tudi zniževanje emisij CO2. V tem prispevku ne bomo govorili o drugih možnostih, ki jih je seveda še mnogo. Globlje bomo obdelali kaj je mogoče storiti na samem gorilniku, da bi: 2.1. Poboljšali dolgoročni zgorevalni izkoristek gorilnika in njegovo stabilnost 2.1. Zgorevalno tehnični izkoristek je poleg drugih dejavnikov, ki so izven gorilnika samega odvisen od presežka zraka (λ lambda) ali prostega kisika (O2) v dimnih plinih. Idealno stanje je doseženo, ko je λ=1 ali O2=0%. To stanje imenujemo stehiometrijsko zgorevanje pri čemer so pretoki dimnih plinov skozi izmenjevalec najmanjši. Seveda ga je moč doseči le teoretično. Odlične konstrukcije današnjih gorilnikov omogočajo delovanja, ki so zelo blizu teh vrednosti. V praksi to lahko pomeni npr. λ= 1,02 1 04. Vendar zaradi dejavnikov, ki slede takšno delovanje naprave ni mogoče. V praksi se namreč dogaja da: 2.1.1. Klasične izvedbe gorilnikov s prenosi mehanske izvedbe že nove (z leti delovanja pa še dodatno) krmilnih elementov za pretok zraka in goriva ne morejo upravljati brez mehanskih odstopanj. To pomeni, da mora biti nastavitev takšna, da ta odstopanja izniči torej varna. Posledica je seveda tako nekaj višja povprečna λ in na žalost nižji izkoristek pa tudi nekaj višje emisije npr. ogljikovega monoksida (slika 3). Naša praksa kaže, da ta varnost pri napravah starejših kot 10 15 let znese že več kot 2% O2. To se približno odrazi na podobnih vrednostih višjih porab energentov seveda pa analogno tudi preveč emitiranih količinah ogljikovega dioksida. 66
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0% 20% 40% 60% 80% 100% Servo motor Zrak+ Zrak- Olje+ Olje- Plin+ Plin- Slika 3 2.1.2. Naslednja težava, ki pravzaprav ni najbolj opazna je prilagajanje gorilnika posamezni napravi. Pri večjih energetskih napravah so različni učinki uporov izmenjevalca in dimovodov že tako veliki, da dodatno vplivajo na potek prilagajanja gorilnika danim pogojem delovanja (slika 4). S tem povzročene izgube sicer niso omembe vredne, vendar to ne pomeni, da jih ni potrebno zmanjšati na najmanjšo možno mero. 2.1.3. Gorilniki, ki delujejo na tekoče in plinasto gorivo izmenično se srečujejo z dodatno težavo, da so pretoki dimnih plinov za vsako gorivo različni. To pomeni, da naj bi dober gorilnik zmogel do popolnosti upoštevati tudi različne upore izmenjevalca, ki temu seveda sledijo. Te težave učinkovito odpravljamo z novimi generacijami gorilnikov, ki imajo procesorsko upravljanje posameznih elementov gorilnika (slika 4). 70 60 50 40 30 20 10 0 Upor kurišča p zgor. zraka SM zrak 0% 20% 40% 60% 80% 100% Slika 4 67
2.1.4. Če obravnavamo zgorevalni izkoristek, ne moremo mimo dejstva, da je kakršna koli nastavitev s tem pa seveda tudi meritev vezana izključno na trenutek, ko je izvedena. Na napravo kot takšno v delovnem režimu bistveno vplivajo naslednje spremembe (slika 5): - temperatura sesalnega zraka se spreminja v nekaterih primerih celo preko 30K. To lahko spreminja izkoristek celo približno 1%, - barometrski tlak sesalnega zraka v času delovanja lahko niha preko 60 mbar kar zopet lahko pomeni mogočo povečanje izgub za približno 1%, - odstopanja tlačnih razmer, vlažnosti zraka, kurilne vrednosti goriva itd., še dodatno otežujejo omenjene delovne pogoje, ker mora naprava torej delovati (nekatere tudi vse leto) v dokaj različnih delovnih pogojih mora biti temu primerno tudi nastavljena. Na žalost pa to pomeni, da večino tega časa namenoma deluje s slabšim izkoristkom. Po naših izkušnjah in meritvah to pomeni povprečno vsaj 2% O2 višje vrednosti, kar znese približno analogno toliko tudi pri izkoristku. Če preračunamo ta podatek na približno 8.000.000,00 m3 plina letno le pri Energetiki Celje je letni prihranek 160.000 m3 plina. Če je hkrati približna emisija CO2 pri zemeljskem plinu kot»čistemu«energentu 0,2 kg/kwh hitro pridemo do neverjetne številke 301000 kg CO2 možnega znižanja. Pri ekstra lahkem kurilnem olju so prihranki še večji. Slika 5: Digitalno upravljanje procesa zgorevanja 68
Omenjene spremembe je moč zmanjšati na najmanjšo možno mero z uporabo nadzora kvalitete dimnih plinov pri nas s stalno meritvijo prostega kisika v dimnih plinih. Na ta način dosežemo, da ne glede na to kako se te spremenljivke menjajo, naprava ves čas porabi najmanjšo mogočo količino goriva ter tako tudi emitira najmanj ogljikovega dioksida (slika 6). Takšna skrb seveda ne velja izključno velikim napravam. Glede na to, da mnogo malih kurilnih naprav tudi pomeni velike skupne emisije smo se v Weishauptu odločili, da nadzor in regulacijo kvalitete dimnih plinov uvedemo tudi pri malih napravah (slika 7). Slika 6: O2 Krmilje 69
Slika 7: Merjenje O2 na primeru naprave Weishaupt Thermo Condens 70
2.2 Čim bolj zmanjšali potrebo po električni energiji za določeno količino toplote Delovanje gorilnika (pa tudi drugih delov naprave) je v veliki meri odvisno tudi od električne energije, ki je potrebna na primer za delovanje ventilatorja, ki dovaja za zgorevanje potreben zrak. Pri večjih napravah (pa tudi pri manjših) te številke sploh niso zanemarljive. Primer: Naprava, ki proizvaja 10 MWh toplotne energije za dovod zraka za zgorevanje potrebuje približno 45 kwh električne energije. Če to analogno preračunamo na že omenjeni primer zgorevanja 8.000.000,00 m3 plina kar je približno 75.200.000,00 kwh (ali 75200,0 MWh) potrebujemo torej 338.400 kwh električne energije. Če dobljeno vrednost dalje pretvorimo v primarno energijo, ki je potrebna zanjo na primer iz plina z izkoristkom približno 50% ugotovimo dvoje: a) za to količino električne energije bi tako potrebovali 720.000,00 m3 plina letno ali b) za to bi proizvedli cca. 68.000 kg ogljikovega dioksida. 2.2.1 Predvsem toplovodne naprave (pa tudi druge) precej svojega delovnega časa sploh ne delujejo na največji pričakovani moči. V povprečju lahko rečemo, da večino časa delujejo približno pri polovici svoje zmogljivosti ali celo nižje (slika 8). Ob grobi oceni, da za polovico moči potrebujemo le četrtino električne energije kar ni daleč od resnice (slika 9) lahko mirno trdimo, da bi za prej omenjeni primer znižali emisije ogljikovega dioksida še za nadaljnjih 5.100 kg letno! Slika 8: Letna obremenitev naprave 71
Slika 9: Primerjava dovajanja zraka s pripiranjem lopute in z frekvenčno regulacijo 3. Če gledamo le izključno gorilnik je torej mogoče za omenjeni primer skupno prihraniti torej 306.100 kg ogljikovega dioksida letno. Ker trenutno ogromna večina gorilnikov deluje s stalnim številom vrtljajev elektro motorja so možna zmanjševanja še zelo velika. Novejše generacije gorilnikov seveda imajo možnost krmiljenja števila vrtljajev (slika 10). Seveda gledamo pri nas na to tako, da je to normalno tudi pri manjših napravah (slika 11). 72
Slika 10: Krmiljenje števila vrtljajev 73
Slika 11: Krmiljenje števila vrtljajev na napravi Weishaupt Thermo Condens 74