Dlaczego zmniejsza się efektywność energetyczna palników na paliwo gazowe?

Dlaczego zmniejsza się efektywność energetyczna palników na paliwo gazowe?
Fot. Adobe Stock. Data dodania: 20 września 2022

Potrzeba odpowiedzi na to pytanie sprowokowała mgr inż. Zygmunta Pachole – doradcę energetycznego oraz Tadeusza Franaszka - redaktora naczelnego Przeglądu Odlewnictwa, Prezesa ZG STOP do przeprowadzenia rozmowy.

Potrzeba ta wynika również z faktu, że problem oszczędności paliw i energii jest priorytetowy w aktualnych i perspektywicznych działaniach wiążących się z koniecznością wprowadzenia do przemysłu (w tym również odlewniczego) innowacyjnych urządzeń grzewczych. Sprawa ta ma również niebagatelny wpływ na zmniejszanie emisji CO2.

T.F.: W artykule "Zmniejszone zużycie gazu efektem racjonalnego doboru parametrów procesu spalania" napisał Pan, że wbrew powszechnym przekonaniom i dostępnym informacjom wartość opałowa gazu nie jest wielkością stałą?

Z.P.:
Tak. Uwzględnia to norma PN-C-04753:2011 - Gaz ziemny. Zawartość CH4 w gazie E po przeliczeniu z minimalnej wartości opałowej wynosi 85,0%. Niższe zawartości CH4 zawiera gaz zaazotowany Lw (75-70%) i Ls. Obniżenie zawartości metanu wpływa istotnie na zmniejszenie wartość opałowej. Jeśli nie dokonano niezbędnej korekty wielkości strumienia powietrza spalania, zmniejszenie efektywności energetycznej jest kilkakrotnie większe, niż to wynika ze zmniejszonej wartości opałowej. Gdy wskutek zmniejszenia zawartości palnych składników gazu zwiększa się rozcieńczenie substratów, następuje "skokowe" zmniejszenie temperatury spalania. Obsługa pieców zwykła nazywać to zjawisko "zimnym płomieniem". Jest to określenie wypływające z doświadczenia pracowników obserwujących zmiany w pracy palnika, a zwłaszcza ewidentnie wydłużony czas procesu cieplnego. Nigdy nie zapomnę "akcji" ratowania wiele lat temu, nad ranem 27 grudnia, setek bochenków chleba w pewnej zaprzyjaźnionej piekarni w Nowym Sączu. Przypadkiem miałem w domu analizator spalin co pozwoliło na zwiększenie mocy palników a w krótkim czasie na ich obniżenie do wielkości pierwotnej.

T.F.: Jeśli mówimy o wydłużeniu czasu topienia to jaka to może być wartość?
Z.P.:
Obniżenie wartości opałowej spowodowanej zmniejszeniem udziału składników palnych wymaga natychmiastowej zmiany składu mieszanki palnej. Nie spełnienie tego warunku generuje spadek temperatury spalania i gwałtowne (wykładnicze) zmniejszenie strumienia energii użytkowej. Z tego powodu czas procesu może wydłużyć się nawet dwukrotnie. Powoduje to oczywiście wzrost kosztu paliwa oraz zwiększenie emisji CO2.

T.F.: Czy dlatego spadek wartości opałowej gazu zauważalny jest też przez gospodynie domowe?

Z.P.: Oczywiście. Często mówi się: "dziś mamy słaby gaz, bo woda na her-batę gotuje się znacznie dłużej". Wtedy gaz ma na pewno niższą wartość opałową. Czajnik z wodą nie może być traktowany, jako narzędzie pomiarowe, ale dłuższy czas podgrzewania, podobnie jak kolor płomienia są bardzo dobrym wskaźnikiem nieprawidłowego składu mieszanki palnej spowodowanej zmianą składu gazu. Już 5% zmniejszenie zawartości składników palnych powoduje 5% spadek energii uży-tecznej, co wymusza zmianę proporcji substratów spalania. Nie spełnienie tego wa-runku generuje załamanie łańcucha przyczynowo - skutkowych procesów cieplnych, których końcowym efektem jest zmniejszenie strumienia energii użytkowej a więc i sprawności energetycznej.

W zakładach odlewniczych, zazwyczaj monitorowane są parametry procesu produkcyjnego, w tym ciśnienie gazu, natomiast skład gazu zwyczajowo przyjmowany jest jako wartość stała, choć PN-C-04753;2011 określa dolną wartość opałową.

Zmniejszenie wartości opałowej o 10% spowodowane zmniejszeniem udziału węglowodorów powoduje zmniejszenie strumienia energii użytecznej o 20%. Natomiast zmniejszenie wartości opałowej o 15% zmniejsza strumień tej energii o ca’ 45%. Notujemy wtedy prawie dwukrotne zwiększenie czasu topienia wsadu.

Jeśli wartość opałowa gazu osiągnie wartość minimalną (wg PN-C-04753;2011), tj. spadnie z 36,0-29,4 MJ/m3 (spadek o 18,3%), to zmniejszenie strumienia energii użytecznej będzie większe niż 50%. Zależność ta jest funkcją wykładniczą wynikającą z praw fizyki promieniowania.

Dlatego twierdzenie, że dwudziestoprocentowe zmniejszenie wartości opałowej po-woduje 20% zmniejszenie energii użytkowej jest błędne. O taką wartość zmniejszy się jedynie tzw. obciążenie cieplne palnika.

T.F.: Co jest przyczyną tego zjawiska?

Z.P.:
Oczywiście stan energii i temperatury. Łatwo to wytłumaczyć posługując się pojęciem entalpii, ale ponieważ czytelnikiem tego wywiadu może być niefachowiec, postaram się określenia specjalistyczne zastąpić bardziej przystępnymi dla czytelników nieznających tej problematyki.

Dla przykładu: Spalając paliwo otrzymamy pewną ilość energii cieplnej. Nazwiemy to efektem kalorymetrycznym wyrażonym w [MJ/m3]. Oprócz powyższego rejestrujemy też temperaturę spalania, w której ciepło to pozyskaliśmy. Możemy nazwać to efektem pirometrycznym, wyrażonym w stopniach Celsjusza. W odlewniczych i hutni-czych procesach produkcyjnych wysoka temperatura spalania jest niezbędna. Im płomień ma wyższą temperaturę, tym egzergia (określenie analogiczne do energii) płomienia jest większa. Temperatura spalania w zasadniczy sposób wpływa na wielkość strumienia energii przekazywanej przez promieniowanie, natomiast spadek temperatury powoduje gwałtowne zmniejszenie strumienia energii użytecznej.
Nawet niewielkie zmniejszenie udziału składników palnych w paliwie, po-woduje konieczność korekty składu substratów spalania, celem zapobieżenia załamania się łańcucha korelacyjnych procesów cieplnych, powodujących do-celowo drastyczne (wykładnicze) zmniejszenie sprawności energetycznej.

Zagadnienia związane z ruchem ciepła w procesach przemysłowych są skomplikowane i niełatwe. Podręcznik: T. Hoblera "Ruch ciepła i wymienniki" zawiera 758 stron a "Obliczenia Cieplne Pieców w Hutnictwie" T. Senkara to 495 stron.

T.F.: Jak sobie radzić, gdy podejrzewamy, że gaz zmienia swój skład?

Z.P.:
Najskuteczniej poprzez bieżącą kontrolę składu gazu za pomocą procesowego chromatografu gazowego. Celowym jest jednak zastosowanie zamiast drogie-go (ok. 160.000 €) chromatografu, (który powinien być u dystrybutora w jego rozdzielniach) wyposażenie zakładu w znacznie tańsze urządzenie monitorujące i wyli-czające ze składu gazu potrzebne parametry umożliwiające korektę składu mieszanki palnej. Wiedza w zakresie wielkości zmiany udziału składników palnych pozwala na korektę substratów spalania dla utrzymania niezmiennej egzergii płomienia. Pozwala to na takie wyrównania procesu spalania, że wtedy wzrost zużycia gazu jest proporcjonalny do zmniejszonej jego wartości opałowej.

T.F.: Jak długo pracuje Pan nad tym problemem?

Z.P.:
Z przerwami od lat 80 ubiegłego wieku, jako st. projektant BUG Gazoprojektu Wrocław, a od 1994r. powołany przez Dyrektora IGNiG w Krakowie na członka Komitetu Technicznego ds. Certyfikacji Wyrobów w ramach pełnionych obowiązków, za namową Przewodniczącego w/w Komitetu - doc. dr inż. Czesława Kowalskiego (AGH Kraków), który zwrócił moją uwagę na to, że wyniki badań certyfikacyjnych wykazywały, że kotły przystosowane do spalania gazu zaazotowanego miały zawsze znacznie mniejszą sprawność energetyczną od kotłów o analogicznej konstrukcji i analogicznej mocy spalających gaz ziemny wysokometanowy. W związku z powyższym, prowadziłem własne obserwacje mocy i sprawności kotłów grzewczych, gazowych. Wyliczona różnica była znacznie większa, niż wynikało to z mniejszej wartości opałowej gazów zaazotowanych GZ-35, Gz-44,5. Niestety, eksperymentalnie potwierdzenie powyższego nie było możliwe, z uwagi na prawie niedostępną wówczas aparaturę niezbędną do wiarygodnych pomiarów w zakresie:
  • składu gazu - chromatograf procesorowy, spektrometr

  • analizy fizyko-chemicznej produktów spalania - analizator spalin

  • termografii, pirometrii - pomiar ciepła wypromieniowanego do otocze-nia.
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 tyglowych piecach odlewniczych zasilanych gazem.

Ze szczegółowych obserwacji kierownika Zakładu Odlewni wynikało, że czas topienia aluminium wydłużył się znacznie, bardziej niż to wynika z dopuszczalnych wahań składu gazu ziemnego wysokometanowego E (dawniej GZ50). Szczegółowe obserwacje wykazały, że średni czas topienia wsadu tygla wzrósł ponad dwukrotnie.

Przeprowadzona natychmiast kontrola ciśnienia w zakładowej sieci gazowej wykazała, że nie uległo ono zmianie. W tym okresie nie dokonywano też regulacji mocy palników. Wykonana za pomocą analizatora spalin MSI analiza wykazała jednak nadmierne ich rozcieńczenie i związany z tym bardzo duży spadek sprawności spalania (konwersji). Sytuację tę spowodowała znaczna zmiana udziału w gazie składników palnych, przy niezmienionej ilości powietrza potrzebnego do spalania.

W zakładzie natomiast poszukiwano przyczyny dlaczego, mimo że masa i ciepło właściwe aluminium były wielkościami niezmiennymi, podobnie jak ciśnienie, strumień spalonego gazu oraz powietrza nie zmienił wielkości, nastąpiło dwukrotne wydłużenie czasu topienia. W poszukiwaniach tych nie brano pod uwagę składu gazu.

Wynika z tego jednoznaczny wniosek, że nie wystarczy mierzyć tylko ciśnienie gazu lecz również analizować jego skład i dostosowywać do niego ilość powietrza potrzebnego do jego spalania. Najlepiej byłoby, aby czynności te realizowały zintegrowane systemy pomiarowo regulacyjne.

T.F.: Jak na podstawie takiego doświadczenia można by podsumować naszą rozmowę?

Z.P.: Aktualny rynek gazu ziemnego w Polsce staje się bardziej wymagają-cy niż w latach ubiegłych. Parametry technologiczne związane z jakością (składem) gazu powinny być kontraktowane jako handlowe. Z tego względu muszą być na bieżąco monitorowane a urządzenia pomiarowe, chromatografy procesowe gazowe do analizy składu gazu, nadzorowane przez dystrybutora, który o każdej zmianie powinien natychmiast informować odbiorców, aby mogli w sposób skuteczny regulować ilość powietrza potrzebnego do efektywnego spalania.

Parametry składu gazu są ważne, ale ważniejsze są wielkości zmian udziału składników palnych gazu z tego względu, że brak reakcji na wielkość spadku zapotrzebowania na tlen powoduje zawsze zjawisko spadku egzergii płomienia, o czym świadczy przedłużający się czas procesu cieplnego np. znacznie dłuższy czas topienia tej samej masy wsadu.

T.F.: Dziękuję za rozmowę.
×

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: Dlaczego zmniejsza się efektywność energetyczna palników na paliwo gazowe?

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!