Automatyzacja i optymalizacja procesów spalania w systemach przemysłowych. Technologie i strategie.

Systemy spalania wykorzystywane w sektorze przemysłowym muszą spełniać coraz bardziej rygorystyczne wymogi w zakresie efektywności energetycznej, bezpieczeństwa operacyjnego oraz norm środowiskowych. Dotyczy to nie tylko pieców w zakładach produkcyjnych, ale również eksploatowanych w naszym kraju na szeroką skalę elektrowni i ciepłowni opalanych węglem kamiennym oraz brunatnym. W dalszej części artykułu dowiesz się, dlaczego optymalizacja oraz automatyzacja poszczególnych procesów spalania przemysłowego jest konieczna, jakie zapewnia korzyści i dlaczego warto wdrożyć odpowiednie rozwiązania jak najszybciej.

Automatyzacja i optymalizacja procesów spalania – podstawowe informacje

Wdrażanie rozwiązań automatyzujących i optymalizujących przebieg procesów spalania ma na celu przede wszystkim poprawę efektywności energetycznej oraz redukcję poziomu emisji zanieczyszczeń – zwłaszcza tlenków azotu, tlenku węgla, związków siarki, związków organicznych (dioksyny, furany, benzo(a)piren), metali ciężkich i pyłów. Wybór konkretnych technologii w każdym przypadku powinien być oparty na gruntownym audycie energetycznym i technologicznym danego systemu spalania, uwzględniającym jego specyfikę oraz wymogi środowiskowe, jakie ma on docelowo spełniać.

Niezbędne są przede wszystkim:

• określenie możliwości uzyskania oszczędności energii i redukcji emisji;
• ocena stanu technicznego eksploatowanych urządzeń;
• analiza obecnego systemu sterowania i monitoringu;
• weryfikacja rzeczywistych parametrów pracy i zmienności procesu.

Wyniki audytu powinny stanowić punkt wyjścia i podstawę do zdefiniowania celów optymalizacji oraz doboru odpowiednich technologii.

Proces spalania – od czego zależy jego przebieg?

W dość dużym uproszczeniu spalanie polega na kontrolowanym utlenianiu palnych składników paliwa, któremu towarzyszy wydzielanie ciepła, światła oraz różnych związków chemicznych, zależnie od rodzaju i składu zastosowanego paliwa. Należy jednak mieć na uwadze, że spalanie w systemach przemysłowych jest w rzeczywistości złożonym, wieloetapowym procesem, przebiegającym w ściśle określonych warunkach i przy wykorzystaniu zaawansowanych technologii sterujących, automatyzujących oraz optymalizujących poszczególne jego etapy.

W przemysłowych instalacjach i systemach spalania na przebieg procesu w największym stopniu wpływają:

• temperatura w komorze spalania – warunkuje przede wszystkim szybkość zachodzących reakcji chemicznych oraz stopień dopalenia paliwa. Optymalizacja temperatury pozwala na maksymalizację wydajności procesu przy jednoczesnej ścisłej kontroli ilości emisji szkodliwych substancji;
• stężenie tlenu – odpowiada za pełne dopalenie paliwa oraz minimalizowanie strat związanych z niecałkowitym spalaniem (głównie obecność CO i sadzy). W praktyce proces spalania przebiega zwykle z pewnym nadmiarem powietrza;
• dokładność wymieszania paliwa z utleniaczem – precyzyjne wymieszanie cząsteczek paliwa z utleniaczem jest warunkiem koniecznym do efektywnego i całkowitego spalania;
• czas trwania spalania – zależy od niego przebieg reakcji chemicznych w komorze spalania. Optymalnie dobrany czas gwarantuje, że paliwo zostanie wykorzystane z pożądaną efektywnością.

Optymalizacja procesów spalania w przemyśle – na czym polega?

Optymalizacja spalania w szeroko rozumianych zastosowaniach przemysłowych jest konieczna nie tylko ze względów ekonomicznych (maksymalizacja uzysku energii z jednostki paliwa przy jednoczesnym obniżeniu kosztów eksploatacyjnych), ale także ze względów środowiskowych (redukcja emisji zanieczyszczeń).

Niezależnie od rodzaju zastosowanego systemu spalania i wdrożonych technologii, fundamentem dla działań optymalizacyjnych zawsze powinny być precyzyjne, wiarygodne pomiary parametrów procesu spalania na poszczególnych jego etapach. Tylko rzetelne dane pozyskane z czujników i systemów pomiarowych pozwalają zapewnić poprawną pracę systemów sterowania oraz obsługujących je algorytmów.

Dane mogą być gromadzone przy użyciu różnych rozwiązań. Do najczęściej wykorzystywanych należą:

• analizatory spalin – dostarczają informacji o efektywności spalania i poziomie emisji poszczególnych substancji toksycznych;
• czujniki temperatury – umożliwiają pomiar temperatury w różnych punktach komory spalania i układu przepływu spalin;
• czujniki ciśnienia – monitorują rozkład ciśnienia oraz ewentualne jego spadki w komorze spalania i innych elementach systemu spalania;
• przepływomierze – umożliwiają pomiar ilości podawanego powietrza oraz paliwa płynnego bądź gazowego, a także ilości gazów odlotowych.

Optymalizacja procesu spalania może być realizowana na różne sposoby. Jedną z najpowszechniej obecnie stosowanych metod, w której na szeroką skalę wykorzystuje się dane pozyskiwane z różnego typu analizatorów procesowych i czujników, jest reburning paliwa i powietrza.

Reburning paliwa i powietrza – mechanizm, zastosowanie, zalety

Tlenki azotu (NOx) emitowane w trakcie procesów spalania przemysłowego stanowią poważne zagrożenie dla środowiska naturalnego, ponieważ w dużym stopniu przyczyniają się do powstawania smogu fotochemicznego, kwaśnych deszczy oraz niszczenia warstwy ozonowej. Z tego względu znakomita większość technologii optymalizacyjnych stosowanych obecnie w przemyśle ma na celu redukcję ilości NOx bądź na etapie ich powstawania (metody pierwotne), bądź już istniejących tlenków przed emisją gazów odlotowych do środowiska (metody wtórne).

Reburning jest jedną z najefektywniejszych metod pierwotnej redukcji NOx, stosowaną w różnej wielkości kotłach energetycznych i piecach przemysłowych, także relatywnie niewielkich. Może być realizowany na dwa zasadnicze sposoby, tzn. poprzez stopniowanie powietrza lub stopniowanie paliwa. Co ważne, w razie potrzeby możliwe jest zastosowanie obu tych metod jednocześnie (reburning hybrydowy).

Stopniowanie powietrza opiera się na podziale pieca na dwie strefy:

1. strefa podstawowa, w której ściśle określona część reduktora zostaje wprowadzona do ubogiej w tlen strefy spalania;
2. strefa wtórnego spalania, znajdująca się powyżej palników, do której podawane jest powietrze dopalające (pozostała część utleniacza), dzięki czemu osiąga się wypalenie paliwa i dalszą redukcję NOx do N2.

Stopniowanie paliwa polega na podziale komory spalania na trzy strefy – są to:

1. główna strefa spalania, w której odbywa się spalanie z nadmiarem powietrza, dzięki czemu ilość powstających tlenków azotu jest mniejsza;
2. strefa reburningu, znajdująca się w górnej części paleniska, do której doprowadzane jest paliwo dodatkowe (zwykle gazowe), a spalanie odbywa się w atmosferze redukcyjnej, co sprzyja redukcji NOx do N2;
3. strefa dopalania, do której doprowadza się powietrze dopalające, zapewniające zupełne spalenie ewentualnych cząstek palnych.

Optymalizacja spalania przy użyciu reburningu wymaga odpowiedniego zaprojektowania systemu wtrysku paliwa reburningowego i powietrza dopalającego, z uwzględnieniem charakterystyki danego kotła i wszystkich istotnych parametrów wpływających na przebieg oraz efektywność spalania w poszczególnych strefach.

Najważniejszą zaletą zastosowania reburningu jest znacząca redukcja emisji NOx, która może sięgać 45-70% w zależności od rodzaju pieca, warunków spalania i rodzaju paliwa. Dzięki temu możliwe jest spełnienie rygorystycznych norm emisyjnych nawet bez zastosowania systemów wtórnej redukcji NOx, choć w praktyce rzadko ma to miejsce.

Automatyzacja procesów spalania w przemyśle – najważniejsze rozwiązania

Optymalizacja procesów spalania w szeroko rozumianym przemyśle nie jest w praktyce możliwa bez wdrożenia rozwiązań automatyzujących w zakresie kontroli i dystrybucji paliwa oraz powietrza, a także inteligentnych systemów sterowania i nadzoru.

Najczęściej automatyzacja obejmuje następujące obszary:

• dystrybucja paliwa (zależnie od rodzaju stosuje się różne rozwiązania, jak np. sterowanie pracą młynów węglowych i podajników w przypadku paliw stałych);
• sterowanie dystrybucją powietrza do komory spalania (m.in. systemy umożliwiające niezależną regulację przepływu powietrza do poszczególnych palników lub grup palników);
• systemy sterowania i nadzoru dla poszczególnych palników (np. termowizja, ułatwiająca kontrolę parametrów pracy pojedynczego palnika niezależnie od pozostałych).

Zastosowanie rozwiązań AI w optymalizacji i automatyzacji spalania

Niezwykle dynamiczny w ostatnich latach rozwój technologii informatycznych opartych na sztucznej inteligencji (AI) otwiera nowe możliwości w zakresie monitorowania, analizy, sterowania czy predykcji procesów spalania przemysłowego. Rozwiązania wykorzystujące AI ułatwiają m.in.:

• symulację i modelowanie procesu spalania na podstawie danych historycznych;
• optymalizację strategii sterowania dzięki identyfikacji właściwych ustawień parametrów spalania;
• adaptację do zmieniających się warunków operacyjnych;
• testowanie różnych scenariuszy operacyjnych i strategii sterowania bez ryzyka dla rzeczywistej instalacji;
• wczesne wykrywanie niekorzystnych zjawisk.

Znaczenie automatyzacji i optymalizacji w przemysłowych systemach spalania

Dzięki synergii zaawansowanych technologii sterowania, precyzyjnych systemów pomiarowych, nowoczesnych metod redukcji emisji oraz inteligentnych rozwiązań opartych na AI można w przemysłowych systemach spalania znacząco zredukować ilość zużywanego paliwa oraz skutecznie obniżyć poziom emisji szkodliwych substancji (NOx, SOx, CO, pyły), zwiększając jednocześnie niezawodność, bezpieczeństwo i elastyczność pracy. Kompleksowe wdrożenie odpowiednich strategii automatyzacji i optymalizacji jest nie tylko odpowiedzią na bieżące wyzwania i rygorystyczne regulacje prawne – to przede wszystkim inwestycja, która w dłuższej perspektywie czasowej pozwala zbudować przewagę konkurencyjną w coraz bardziej wymagającym otoczeniu biznesowym.