Niniejszy punkt przedstawia historię, aspekty techniczne oraz zalety systemów regeneracyjnych HRS (z ang. High-cycle Regenerative System) zawierających technologię spalania HiTAC (z ang. High Temperature Air Combustion – spalanie z powietrzem podgrzanym do wysokiej temperatury).

Historia

Od początku lat dziewięćdziesiątych poprzedniego wieku prawie 800 pieców głównie w Japonii zostało zmodernizowanych lub wybudowanych jako nowe jednostki stosując niskoemisyjne palniki regeneracyjne. W około połowie z nich, to znaczy w około 400 piecach zastosowano palniki regeneracyjne HRS oparte o technologię spalania wprowadzoną i rozwijaną przez firmę Nippon Furnace Kogyo Kaisha Ltd. (NFK).

Pierwsze przemysłowe zastosowanie palników HRS miało miejsce w 1992 roku. Od tego czasu ponad dwa tysiące par palników HRS zostało zainstalowanych w wielu różnych aplikacjach przemysłowych. Systemy HRS zostały zastosowane na przykład w następujących dziedzinach:

• piece grzewcze – 56 zastosowań z zainstalowaną mocą do 93 MW (38 par palników HRS-DL) na jednej jednostce,
• podgrzewacze kadzi – 6 zastosowań z zainstalowaną mocą do 3,2 MW (2 pary palników HRS-DL) na jednej jednostce,
• aplikacje do wyżarzania, odpuszczania, nawęglania i inne piece do obróbki cieplnej – 61 zastosowań z zainstalowaną mocą do 15,6 MW (180 par palników HRS-RT) na jednej jednostce,
• piece dla przemysłu ceramicznego – 8 zastosowań z zainstalowaną mocą do 1,7 MW (50 par palników HRS-U1) na jednej jednostce.

Niskoemisyjne palniki regeneracyjne HRS

Unikalne cechy technologii spalania HiTAC zostały z powodzeniem zastosowane w niskoemisyjnych palnikach regeneracyjnych HRS. Palniki HRS łączą w sobie technologię spalania HiTAC z technologią wysokotemperaturowego, wysokosprawnego podgrzewu powietrza do spalania, za pomocą wysokiej jakości regeneracyjnych wymienników ciepła.

Palniki HRS wykorzystujące technologię HiTAC charakteryzują następujące zalety:

• jednorodny rozkład strumienia ciepła,
• jednorodny rozkład temperatury,
• niska emisja NO_x w skutek braku pików temperatury,
• możliwość zmniejszenia jednostkowego zużycia paliwa,
• niższa średnia temperatura w strefie ze względu na propagację procesu spalania w całej objętości komory,
• możliwość zwiększenia wydajności strefy, ze względu na możliwość zwiększenia średniej temperatury w strefie,
• wydłużenie żywotności wyłożenia ogniotrwałego pieca, ze względu na brak pików temperatury,
• niski poziom hałasu.

W palnikach HRS / systemach spalania HRS w celu osiągnięcia pożądanych zalet zostały zastosowane różne techniki. Techniki te są następujące:

System palników HRS może pracować na dwa sposoby: w konwencjonalnym szybkowypływowym trybie spalania (F1) oraz w trybie spalania wysokotemperaturowego HiTAC (F2). Schematyczny rysunek przedstawiający tryb spalania F1 i tryb F2 został przedstawiony poniżej. Podczas procesu rozgrzewania pieca palnik HRS pracuje w trybie niskotemperaturowym F1. Kiedy temperatura pieca przekroczy 800˚C rozpoczyna się dostarczanie gazu przez dysze F2 i palnik zaczyna pracować w trybie wysokotemperaturowym F2. W obu trybach F1 i F2 palniki HRS pracują w parach naprzemiennie wykorzystując regenerator ceramiczny.

Schemat typowej pracy palnika HRS podczas a) trybu F1 oraz b) trybu F2

Podstawy niskoemisyjnego systemu regeneracyjnego

Ideą systemów regeneracyjnych jest alternatywna praca palników. Kiedy palnik A pracuje jako palnik (tryb spalania), palnik B zasysa spaliny z komory spalania (tryb regeneracyjny). Po tak zwanym czasie przełączania palniki zamieniają się funkcjami. Maksymalna cieplna sprawność regeneratorów jest uzyskiwana przy zachowaniu 30-sto sekundowego czasu przełączania.

Schemat działania pary niskoemisyjnych palników regeneracyjnych HRS

Para palników HRS-DL z regeneratorem zwanym „Honeycomb”

W trybie regeneracyjnym palnik zasysa spaliny przez wewnętrzne złoże regeneracyjne (tak zwany Honeycomb), a energia jest magazynowane w ceramicznych regeneratorach podczas gdy zimne spaliny są wyprowadzane orurowaniem do komina. W trybie spalania powietrze dostarczane przez palnik przechodzi przez regenerator gdzie jest ogrzewane w skutek odzyskiwania zakumulowanej energii.

Doskonałość regeneratorów Honeycomb

Regeneracyjne wymienniki ciepła mają długą i imponującą historię w redukcji zapotrzebowania paliwa w procesach przemysłowych. Doskonałe właściwości cieplne materiałów ceramicznych, zarówno jako akumulatora energii, jak i elementu jego wymiany daje im przewagę względem standardowych metalowych wymienników ciepła. Podczas gdy ze względu na ograniczenia materiałowe metalowe wymienniki ciepła mają ograniczone zdolności i sprawności cieplne, regeneratory ceramiczne pozwalają na stosowanie wyższych temperatur i lepsze przekazywanie energii. Materiał ceramiczny w wielu przypadkach posiada również większą odporność na związki agresywne.

Regeneratory Honeycomb wyróżniają się pośród wielu typów ceramicznych złóż regeneracyjnych. Złoże typu Honeycomb przewyższa ceramiczne kształtki i kulki ceramiczne pod względem sprawności i stabilności temperaturowej, powierzchni wymiany ciepła na jednostkę masy i objętości, niższy spadek ciśnienia generowany na złożu, mniejszą wagę oraz bezwładność cieplną.

Palniki HRS posiadają złoże regeneracyjne zwane “Honeycomb” wykonane z materiału ceramicznego odpornego na wysoką temperaturę spalin. Wysokiej jakości regenerator ciepła pozwala na ogrzanie powietrza do spalania o temperaturze otoczenia do temperatury bliskiej zasysanych spalin podczas trybu regeneracyjnego palnika.

Porównanie regeneratorów Honeycomb i regeneratorów kulkowych Typowy Honeycomb używany jako regenerator posiada 100 komórek (przestrzeni) na cal kwadratowy. Tak duża ilość komórek w porównaniu z konwencjonalnymi regeneratorami kulkowymi zapewnia następujące zalety:

• duża powierzchnia wymiany cieplnej równa 1307 m²/m³, około 7-krotnie większa niż w przypadku kulek ceramicznych o średnicy 20mm,
• duży równoważny współczynnik wymiany ciepła na objętość równy 165 kW/m³∙K, około 5-krotnie większy niż w przypadku kulek ceramicznych,
• wysoka sprawność temperaturowa będąca w zakresie 90-96% (kulki ceramiczne tylko 70-85%),
• niska masa jednostkowa, 3-krotnie mniejsza niż w przypadku kulek,
• mała objętość, około 5-krotnie mniejsza niż w przypadku kulek – ta cecha czyni palniki kompaktowymi i łatwymi w instalacji, zwłaszcza podczas przebudowy pieca,
• krótki optymalny czas przełączania równy 30-stu sekundom przy którym złoże osiąga najwyższą sprawność. Jest to 2 – 4 razy krócej niż w przypadku kulek. Krótki czas pomiędzy przełączeniami skutkuje niewielkimi wahaniami temperatury podgrzanego powietrza,
• niski spadek ciśnienia na złożu, zwykle 3 – 4 krotnie niższy niż na złożach kulkowych,
• brak problemów z zapychaniem się dzięki odpowiedniej konstrukcji regeneratorów Honeycomb.

Zaawansowane odzyskiwanie energii (ciepła)

Obecnie stosowane są różne sposoby odzyskiwania energii różniące się pomiędzy sobą sprawnością i charakterystyką użytkową. Najczęściej stosowane i najbardziej sprawne centralne, metalowe rekuperatory potrafią podgrzać powietrze do temperatury 600oC. Centralne układy regeneracyjne posiadają wyższe sprawności i umożliwiają podgrzanie powietrza do temperatury od około 900 – 950oC.

Porównanie konwencjonalnych technik odzysku ciepła i technologii HRS/HiTAC

Rozporoszone rekuperatory i regeneratory (jak na przykład stosowane w palnikach HRS) z racji na swoją zabudowę bezpośrednio przy palnikach nie wymagają konieczności stosowania kosztownego i skomplikowanego technicznie orurowania (mniejsze średnice, cieńsze warstwy izolacyjne lub ich brak), ze względu na niższą temperaturę spalin opuszczających palnik i temperaturę powietrza dostarczanego do palnika równą praktycznie temperaturze otoczenia. Rozwiązanie to w dzisiejszych czasach osiąga najwyższą sprawność.

Sprawność temperaturowa złoża Honeycomb może zostać opisana w następujący sposób:

Faktyczna uzyskiwana sprawność temperaturowa wynosi od ponad 90% do 96% dla powietrza podgrzanego do temperatury o 50^oC niższej niż temperatura panująca wewnątrz pieca.

Doskonała sprawność i oszczędności paliwa, mniejsze i bardziej wydajne piece

Technologia HRS została stworzona w celu zmniejszenia zużycia paliwa i cel ten został skutecznie osiągnięty. Wysoka sprawność regeneratorów Honeycomb wpływa bezpośrednio na redukcję zużycia paliwa w przebudowywanych piecach przemysłowych. Największe oszczędności wynikające z redukcji zużycia paliwa są obserwowane podczas przebudowy pieca, który pierwotnie był wyposażony w niskiej sprawności system odzyskiwania energii lub w ogóle takiego systemu nie posiadał (oszczędności mogą wówczas osiągnąć nawet 50%).

Oszczędności w zużyciu paliwa w przypadku typowych pieców są na poziomie od 20% do 35%. Oszczędności te wynikają z faktu, że temperatura powietrze do spalania w tych piecach jest na poziomie od 300^oC - 450^oC, podczas gdy temperatura spalin opuszczających piec wynosiła około 900^oC - 1100^oC.

Ze względu na dużą wartość współczynnika przekazywania ciepła i lepszą charakterystykę w porównaniu z konwencjonalnymi palnikami regeneracyjnymi, systemy HRS pozwalają na zmniejszenie rozmiarów pieców lub na polepszenie ich wydajności. Oszczędności paliwa w funkcji temperatury spalin

Zwykle uzyskiwana jest zarówno większa wydajność pieca, jak i jednostkowa redukcja zużycia paliwa.

Łatwe rozmieszczenie i konserwacja

Konstrukcja palnika regeneracyjnego jest prosta, a przystosowanie go do istniejących warunków nie jest skomplikowane. Palniki HRS nie wymagają złożonych czynności konserwacyjnych. Konserwacja palnika ogranicza się do okresowej wymiany elementów złoża regeneracyjnego Honeycomb. Zwykle po dwóch latach użytkowania powinny zostać wymienione cztery górne warstwy złoża Honeycomb, jednakże czas ten zależy od warunków panujących we wnętrzu pieca. Wymiana ta jest rekomendowana w celu utrzymania niezawodności systemu, niemniej jednak często zależnie od jakości procesu spalania i warunków panujących w piecu złoże Honeycomb może pracować dłużej bez jego wymiany.

Łatwa kontrola

Dzięki prostej konstrukcji i automatycznej kontroli układu, użytkowanie systemu spalania HRS jest łatwe, a integracja jego z istniejącym systemem jest szybka i bezproblemowa. Moc systemu może być regulowana na bieżąco zarówno za pomocą kontroli przepływu, jak również za pomocą kontroli przedziałów czasowych (włącz/wyłącz). Palniki mogą być włączone i wyłączone w trakcie pracy systemu. Wszystkie palniki zamontowane w systemie grzewczym pieca mogą być użytkowane zgodnie z ustalonym modelem przełączania w celu odpowiedniej regulacji dystrybucji mocy pomiędzy strefami pieca lub pomiędzy palnikami w strefie. Palniki pracują w zakresie od 0 – 100% mocy. Pojedyncze jednostki, jak również cały system może pracować w trybie stand-by w trybie wysokotemperaturowym bez dostarczania paliwa.

Podsumowanie

Ciągły wzrost świadomości ekologicznej i duży nacisk na redukcję kosztów energetycznych, w wielu dziedzinach przemysłu skutkuje wprowadzaniem najnowszych technologii spalania. Co więcej, każdy typ nowego systemu spalania musi gwarantować redukcję zużycia energii, niską emisję zanieczyszczeń, wzrost wydajności pieca, lepszą jakość procesu spalania oraz produktu, niezawodność i pewność działania w warunkach przemysłowych. Przedstawione unikalne cechy systemów regeneracyjnych HRS powodują, że technologia HRS jest najlepszym rozwiązaniem pozwalającym osiągnąć wszystkie cele wymienione powyżej.