A tüzelőberendezésgyártók az utóbbi évtizedekben a digitális vezérléstechnika teljeskörű bevezetését és a károsanyag emisszió csökkentését tűzték ki a legfőbb fejlesztési irányoknak. Az előbbi mellett szólnak az összességében alacsonyabb gyártási költségek – melyek megjelennek a termék árában is – és az üzemeltetés magasabb komfortja. Az utóbbi mozgató rugója az egyre szigorodó emissziós határértékeknek való megfelelés kényszere.
Digitális vezérléstechnika
Elmondható, hogy a napjainkban Európában forgalomba kerülő tüzelőberendezések mindegyikét már valamilyen digitális tüzelésvezérlő automatika működteti. Ezek a tüzelőberendezés kivitelének, feladatának megfelelő „tudással” rendelkeznek. Az alapfeladat természetesen a tüzelőberendezés biztonságos működtetése, azaz az égő biztonsági és szabályzó elemeinek jelzései alapján, a levegő- és a tüzelőanyag-ellátó komponensek és az egyéb segédberendezések időben koordinált működtetése. A működtetés mikéntjét olyan európai szabványok és rendeletek írják elő, melyek az automatika és a tüzelőberendezés forgalomba hozhatóságának az alapfeltételeit rögzítik, ezen előírásoknak való megfelelés esetén kaphatnak ezek a készülékek típusvizsgálati engedélyt. Az ezen felüli képességek, melyekkel az egyes automatika típusok rendelkezhetnek, további biztonsági szint-, és üzemeltetési komfort növekedést, illetve az üzemeltetési költségek csökkentését teszik lehetővé. Ilyenek például a teljesség igénye nélkül a:
- tüzelőanyag elzáró szerelvények tömör zárásának ellenőrzése,
- elektronikus arányszabályozás, azaz a tüzelőanyag és az égési levegő keverékképzés elemeinek a precíz működtetése egytized szögfok pontosságú állítómotorok és akár frekvenciaváltó segítségével,
- a füstgázban maradó oxigén- és/vagy szénmonoxid koncentráció folyamatos mérésén alapuló szabályozás, aminek többlet biztonság és alacsonyabb tüzelőanyag fogyasztás a hozadéka,
- többféle tüzelőanyag alkalmazása akár külön-külön (alternatív égő), akár egyidőben is felhasználva azokat (szimultán égő),
- busz-kommunikációs lehetőség egy fölérendelt folyamatirányító vagy adatgyűjtő rendszerrel,
- több-, akár magyar nyelvű, szöveges kezelőmező, esetlegesen érintőképernyőn megjelenő információkkal és kezelési lehetőséggel.
Manapság már szinte nincs megoldhatatlan feladat a tüzelésvezérlésben, csak a tervező képzeletének gyümölcsét kell beprogramozni egy megfelelő biztonsági szintű vezérlőbe úgy, hogy a vonatkozó előírásokat is kielégítse, miközben a fizika és a kémia törvényeit is hagyjuk érvényesülni.
Emisszió csökkentés
A világban alapvetően két tendencia figyelhető meg a jogszabályalkotók részéről a károsanyagok emissziójának csökkentésére. Amerikában és Kínában törekszenek ugyan a megújuló energiaforrások alkalmazását elősegíteni, de nem annyira ambíciózusak a tervek a széndioxid kibocsájtás megszüntetését illetően, mint az EU-ban. Ezzel párhuzamosan azonban jellemzően sokkal szigorúbb NOx kibocsájtási határértékekkel találkozunk mindkét országban, ami azt jelenti, hogy a jellemző európai határértékeknek töredékei a megengedettek például Pekingben vagy Los Angelesben. Az Egyesült Államokban államonként különböző határértékeket kell betartani, de ezek még a legmegengedőbb államokban is alacsonyabbak, mint a legszigorúbb európai előírások.
Ahelyett, hogy tovább boncolgatnánk a nemzetközi trendeket, lássunk inkább egy-két magyarországi példát, és ezen keresztül a nitrogénoxid képződéssel összefüggő sajátosságokat, és a lehetséges megoldásokat.
Magyarországon – az elmúlt hónapok eseményeinek ellenére is – még mindig a földgáz a leginkább rendelkezésre álló tüzelőanyag, ezért a példában is erre fogok fókuszálni. A károsanyag kibocsájtás szempontjából az ipar tüzelőberendezéseinek többségére az 53/2017. (X.18.) FM rendelet vonatkozik, melynek alapjául többek között egyrészt az EU közepes tüzelőberendezésekre vonatkozó irányelve (2015/2193/EU), másrészt a rendelet elődjének tekinthető 23/2001. (XI.13.) KöM rendelet szolgál. E jogszabály szerint egy földgázzal működő, 2018. december 20-a után üzembe helyezett, 2 MW bemenő teljesítményű tüzelőberendezés megengedett NOx-emissziója 100 mg/mN3 (mg/normál m3) a rendeletben megadott peremfeltételek mellett.
Alacsony nyomású tűzterekben földgáz tüzelés során alapvetően kétféle módon keletkeznek a nitrogénoxidok. A hagyományosnak mondott, tehát a 90-es évek előtt fejlesztett tüzelőberendezések esetén a keletkező 140…220 mg/mN3 NOx mennyiségének többsége az úgynevezett termikus nitrogénoxid képződés útján jön létre egy kazán tűzterében. Ennél általában jóval kisebb az úgynevezett prompt nitrogénoxid képződés során létrejövő mennyiség. A 90-es években elkezdődött a LowNOx égők fejlesztése, melynek hajtómotorjai az egyre szigorodó előírások voltak. Ezekkel az égőkkel lehetővé vált egy szabványos tűztéren a 60-80 mg/mN3-es határértékek betartása is, majd a 2010-es évek során egyre több gyártó jelentkezett ultra-LowNOx égőkkel, melyek már a 30 mg/mN3-es pekingi, vagy akár a 18 mg/mN3-es kaliforniai határértékeknek is megfelelnek. Az előző bekezdésben láthattuk a magyar előírást, ezért joggal merül fel bennünk, hogy nálunk ezeknek nem igazán van létjogosultsága, de ne feledkezzünk meg a „szabványos tűztér” kifejezésről, ugyanis a termikus úton keletkező nitrogénoxidok mennyisége jelentősen függ a tűztér geometriájától, és annak felületi hőmérsékletétől is.
Nézzük az első példát, a szabványostól némileg negatív irányba eltérő méretű, háromhuzamú tűzterű melegvíz kazánt. A kazán tűzterének átmérője 866 mm, hossza 2977 mm, a hőterhelés pedig 2010 kW. 80 °C -os átlagos kazánvíz hőfokkal számolva egy, a 90-es években fejlesztett LowNOx égő még épp a 100 mg/mN3-es határértéken belül teljesít.
Abban az esetben, ha a kazánunk nem egy melegvíz kazán, hanem egy hasonló teljesítményű magasnyomású gőzkazán, melynek tűztere még kisebb az előzőnél is (Ø840×3100 mm), a LowNOx égőkkel már képtelenség betartani a 100 mg/mN3-es határértéket. Ennél a kazánnál olyan ultra-LowNOx égők alkalmazása válik szükségessé, amelyek külső füstgáz recirkuláció segítségével képesek a termikusan képződő nitrogénoxidok mennyiségét minimalizálni, így a kedvezőtlen méretű tűztér esetén is határértéken belül maradunk. (Az 1. ábrán egy német gyártó 4LN kivitelű külső füstgáz recirkulációs égőjét látjuk) Ezek az égők a kazánból kilépő füstgázok egy részét az égéslevegőbe keverik, ezzel egyrészt megnövekszik az égéslevegő és füstgáz keverékének a térfogatárama, aminek következtében a benne található nitrogén molekulák forró zónákban való tartózkodási ideje, és ezzel azok oxidációjának valószínűsége is csökken, másrészt a keverékben az oxigén parciális nyomása is kevesebb lesz a tiszta égéslevegőhöz képest, ami az égési hőmérséklet csökkenését vonja maga után, és ez szintén a nitrogén molekulák reakcióba lépésének valószínűségét csökkenti.
Érthető a kazángyártók többségének azon törekvése, hogy minél kevesebb anyagból készített hőhasznosítókat állítsanak elő, hiszen így az árak tekintetében versenyelőnyre tehetnek szert, bár a kisebb méretű tűzterek magasabb károsanyag kibocsájtáshoz vezetnek, ami fejlettebb és némileg drágább égőkonstrukciót von maga után. A kazánok geometriai méretcsökkentésének igényére a tüzelőberendezés gyártók az előkevert felületi égők kifejlesztésével válaszoltak, melyek olyan ultra-LowNOx égők, melyek extrém kis méretű tűztér (akár a szabványos tűzterek térfogatának nyolcada) esetén is nagyon alacsony nitrogénoxid emisszióra képesek.
A 2. ábrán egy Premix-LowNOx (-PLN) égőt látunk, amely kombinálja az előkeverést és a felületi égést.
A felületi égésnél döntő jelentőségű a homogén gáz/levegő-keverék, ezért az égőcső előtt a keverőrendszerben megperdített levegőt és a sokszáz apró gázcsóvában érkező tüzelőanyagot elegyítve homogén keveréket hoz létre, mely ezután áthalad az égőcső sűrűszövésű fémszövetén és elég annak felületén. Az így létrejövő, 1200°C alatti lánghőmérsékletű lángszőnyeg gátolja a termikus nitrogénoxid-képződést. Így a 30 mg/kWh alatti NOx-emisszió már 5000 kW-ig terjedő teljesítménytartományban teljes realitás. Ennek a technikának jellemzője a széles szabályozási tartomány, akár 1:10 érték is elérhető.
Ezek az égők nem csak az új, kisméretű kazánokban képesek igen szigorú határértékek betartására, hanem elavult zsák-, vagy falazott tűzterű hőhasznosítókon való égőcserékkel is betarthatóvá válnak akár a közeljövőben bevezetésre kerülő, a mainál lényegesen szigorúbb előírások is.
Hegyi Gábor
