FLOX-brænder artikel til VVS/Elhorisont Flameless Oxidation - en moderne brænderteknologi

Transkript

1 DGC-notat 1/6 FLOX-brænder artikel til VVS/Elhorisont Flameless Oxidation - en moderne brænderteknologi Markant lavere NO x -emissioner og ingen visuel flamme er det mest karakteristiske ved den type brændere, der udnytter princippet "flameless oxidation" (flo). I et EFP-projekt gennemført af Dansk Gasteknisk Center a/s i samarbejde med Holmegaard Glasværk og IGA er FLOX -brændernes forbrændingstekniske egenskaber blevet dokumenteret ved en række field test på Holmegaard Glasværk. Projektet har modtaget økonomisk støtte fra Energistyrelsen og de danske gasselskaber. Grundlaget for flo-teknologien Brændere, der udnytter flo-teknologien, eksisterer i dag som kommercielt tilgængelige brændere (se Figur 1). De har forskellige design, men fungerer alle efter de samme forbrændingstekniske principper. Figur 1 Eksempler på flo-brænderdesign (Kromschröder, North American mfg og WS Wärmeprozesstechnik) rth_flox_vvs-elhorisont h:\414\00\2002\rth_floxbraendere.doc

2 DGC-notat 2/6 Det mest kendetegnende for disse brændertyper er, at under optimale forhold brænder de uden en visuel flamme i ovnkammeret. Det er denne egenskab, der har givet brænderne og teknologien sit navn. I Figur 1 er brænderen til venstre fra Kromschröder og fungerer alene som flo-brænder. Det er denne brændertype, der er installeret på flere ovne hos Holmegaard Glasværk. De to øvrige brændere kan både fungere som konventionel og flo-brænder. For at der for flo-teknologien kan tales om optimale forhold, er der en række parametre, der skal være opfyldt. Det gælder både for de forbrændingstekniske og de ovndesignmæssige forhold. Vedr. de forbrændingstekniske forhold er det kun muligt at opnå flo ved temperaturer, der ligger over brændslets selvantændelsestemperatur. For de anlæg, der er i drift, betyder det reelt, at temperaturen i ovnkammeret skal være over ca. 800 C. Dette er en betingelse, da forbrændingen sker uden en flamme til at antænde gassen. I Figur 2 skitseres reaktionszonen for flo i område C. I område A er der stabil flamme, og i B er der ustabil flamme. Figur 2 Reaktionszoner ved stabil og ustabil flamme samt ved flammeløs forbrænding Figuren viser endvidere, at der ud over at være tilstrækkelig høj temperatur i ovnkammeret også skal være tilstrækkelig intern massestrøm af recirkulerede røggasser. K v, der angives i figuren, er massestrømsforholdet mellem recirkulerede røggasser og den samlede gas og luftstrømning. Der skal derfor recirkuleres røggasser svarende til 2,5 gange den samlede gas/luftmassestrømning ved en ovntemperatur på ca C. Sænkes temperaturen til 800 C, stiger kravet til mængden af recirkulerede røggasser, idet K v skal

3 DGC-notat 3/6 være ca. 8. Det svarer til, at massen af recirkulerede røggasser skal mere end tredobles, for at flo kan opnås. Det er endvidere vigtigt at holde høje strømningshastigheder i de områder, hvor forbrændingen kan foregå, da det er medvirkende til at undertrykke flammedannelsen. Derfor er strømningshastigheden på gassen ind i ovnen meget høj. En anden og tilsvarende vigtig forudsætning for optimale forhold for flo er forbrændingsluftforvarmning. Ved at forvarme forbrændingsluften kan det specifikke gasforbrug til opvarmning af en enhed reduceres. Ud over de associerede økonomiske fordele, giver det endvidere den fordel, at mængden af brændbare gasser i forbrændingszonen reduceres, og flammedannelsen undertrykkes. Ovnens interne design og brændernes placering er ligeledes vigtige parametre for at udnytte flo-teknologien optimalt. Primært skal der være et ovnvolumen, der kan danne ramme for det rette strømningsprofil, og som dermed kan sikre tilstrækkelig recirkulation af røggasserne. Brændernes placering er også afgørende. Eksempelvis er ovndesign og brændernes placering (se Figur 3) hos Holmegaard Glasværk ikke optimalt for flo-teknologien. Det skyldes, at brændernes placering gør det svært at recirkulere røggasserne ind fra venstre side af strømningsretningen. Pottens placering gør det ligeledes svært at recirkulere røggasser til den nederste brænder pga. det indsnævrede areal. Figur 3 Internt ovndesign og målepositioner for potteovn hos Holmegaard Glasværk

4 DGC-notat 4/6 Fordele og ulemper med flo-teknologien Den primære fordel, der forbindes med flo-teknologien, er de markant lavere NO x -emissioner, der kan opnås. Der findes eksempler på, at udskiftning af konventionelle brændere med flo-brændere har medført reduktion af NO x på op til 90%. Med teknologien er det desuden muligt at forvarme forbrændingsluften til over 1000 C og samtidig reducere NO x -emissionerne. For konventionelle brændere vil en tilsvarende forbrændingsluft forvarmning medføre stor stigning i NO x -emissioner, da den største kilde til NO x stammer fra høje temperaturer (hot spots) i forbrændingszonen. Med flo-teknologien undgås disse hot spots, og der kan opleves en mere jævn temperaturfordeling i ovnen. Ulempen med flo-brændere er, at de kun kan operere ved temperaturer over ca. 800 C. De henvender sig derfor kun til højtemperaturindustrien. Falder temperaturen i en proces eksempelvis til et niveau, der ligger under denne temperatur, skal brænderne automatisk lukkes ned, da der ellers kan opstå risiko for, at gas trænger ud i ovnen. I nogle brænderdesign er der taget hånd om dette problem, idet der er indbygget en automatisk omskifter mellem flo-forbrænding og konventionel forbrænding (se Figur 1). Dokumentation af FLOX -brændere hos Holmegaard Glasværk Holmegaard Glasværk har som de første i Danmark taget FLOX -brændere i anvendelse på flere af deres potteovne, der anvendes til glasproduktion. Brænderne, der er leveret af IGA A/S, har været i drift siden Fra fabrikken meldes der om stor tilfredshed og positive erfaringer med driften af brænderne. I EFP-projektet var det hensigten at gennemføre målinger på en referenceovn udstyret med konventionelle brændere og på en ovn udstyret med FLOX -brændere. Ved afslutning af projektet er der blevet gennemført målinger på fire ovne i alt, hvoraf tre var udstyret med FLOX -brændere. Der er foretaget en lang række målinger af emissioner i røggassen, temperaturer, gasforbrug og brænderstøj.

5 DGC-notat 5/6 Figur 4 Målepositioner på Holmegaard Glasværks potteovne Ud over de på Figur 4 skitserede målepositioner er der desuden målt temperaturer på ovnens overflade og inde i ovnen. En del af målingerne blev foretaget som døgnmålinger. Temperaturmålinger inde i ovnen blev foretaget ved 1200 C og 1400 C, svarende til produktions- og smeltetemperatur. Konklusionen på målingerne var, at NO x -emissionerne (se Figur 5) kan reduceres markant ved at anvende flo-brændere frem for konventionelle brændere. Temperaturfordelingen i ovnene er ikke så jævn, som det kan forventes med flo-teknologien. Brænderstøj, specielt under smeltning, er væsentligt lavere med de installerede FLOX -brændere. Concentration [ppm] :00 13:00 12:00 11:00 10:00 09:00 08:00 07:00 06:00 05:00 04:00 03:00 02:00 01:00 00:00 23:00 22:00 21:00 20:00 19:00 18:00 17:00 16:00 15:00 14:00 13:00 Reference-furnace FLOX-furnace Figur 5 NO x -emissioner målt på potteovne hos Holmegaard Glasværk På baggrund af resultatanalysen af målingerne på den første flo-ovn blev designet på ovnene med flo-brændere modificeret. Resultatet var, da målin

6 DGC-notat 6/6 ger blev gennemført på disse ovne, at NO x -emissionerne blev reduceret yderligere i forhold til de første målinger på en ovn med flo-brændere. Resultaterne kan ses i Figur 6. Figur 6 Målte NO/ NOx-emissioner Målingerne har endvidere dannet grundlag for en CFD-model til beskrivelse af forbrændingen i ovnene, som DGC har udviklet. Vha. modellen er der lavet beregning af, hvordan processen i ovnene kan optimeres i forhold til flo-teknologien. Beregningerne peger bl.a. på, at optimering kan foretages ved at ændre på placering af brænder og glaspotte. Desuden peges der på, at øget forbrændingsluftforvarmning vil have en gavnlig effekt. Driftserfaringer På trods af at målingerne viser, at flo-teknologien ikke har optimale forhold i ovnene på Holmegaard Glasværk, så er tilfredsheden med brænderne på fabrikken stor. Arbejderne på ovnene udstyret med FLOX -brændere er meget tilfredse med den kvalitet, det smeltede glas har. Derudover er vedligehold på brænderne er lidt mindre og billigere på FLOX -brænderne. Rundt om i verden er der installeret flo-brændere i andre højtemperaturindustrier. Dokumentation for, hvordan brænderne fungerer, er meget sparsom, men de steder, hvor driften er dokumenteret, rapporteres der om væsentlige reduktioner af NO x -emissioner og energibesparelser som følge af mulighed for at øge forbrændingsluftforvarmningen. Det er primært stålindustrien, der har taget flo-teknologien i anvendelse, men andre med tilsvarende procesvarmebehov vil utvivlsomt kunne profitere i lige så høj grad af denne teknologi. René Thiemke