Účinnosť priemyselných spaľovacích procesov môže byť zvýšená dvoma spôsobmi (ktoré možno vidieť na obr.1 a obr.2). Buď predohrevom paliva a vzduchu alebo pridaním kyslíka. Vzhľadom na vysoký obsah balastného dusíka vo vzduchu (78 %), pri spaľovaní so vzduchom možno dosiahnuť len nízke teploty plameňa. Balastný dusík spôsobuje vysoké tepelné straty z dôvodu nízkej účinnosti spaľovania. Kyslík možno dostať do spaľovacej komory rôznymi spôsobmi:
- Kyslíkovými horákmi,
- Priamou injekciou kyslíka do vzduchovo-palivového plameňa,
- Kyslíkovým obohacovaním spaľovacieho vzduchu.
Na obrázku je znázornená závislosť teoretickej teploty plameňa pri stechiometrickom spaľovaní zemného plynu od obohatenia vzduchu kyslíkom. Z toho vyplýva, že aj nízke hodnoty obohatenia sú schopné vytvoriť vyššie teploty plameňa a tým zvýšiť účinnosť spaľovania.

Obr. 1: Vplyv teploty spaľovacieho vzduchu a koncentrácie kyslíka na účinnosť spaľovania	Obr. 2: Teoretická teplota plameňa pre stechiometrické spaľovanie zemného plynu v závislosti od koncentrácie kyslíka v spaľovacom vzduchu

Okrem vyššej tepelnej účinnosti kyslíkových horákov v porovnaní so vzduchovo-palivovými horákmi, oveľa vyššia energetická účinnosť je vzhľadom na prestup tepla druhým dôvodom na použitie kyslíka. Prestup tepla nastáva konvekciou a radiáciou. S rastúcou teplotou pomer radiácie rastie oproti konvekcii. Navyše, tepelná radiácia je u kyslíkového plameňa kvôli vyššiemu obsahu troch molekúl plynov CO2 a H2O a taktiež nízkej hodnote NOx v spalinách intenzívnejšia ako u plameňa zo spaľovania so vzduchom. Obr. 3 zobrazuje vyššie hodnoty emisivity kyslíkových horákov v porovnaní so vzduchovo-palivovými horákmi.

Obr. 3: Porovnanie úrovne emisivity, kyslíkový horák a vzduchovo-palivový horák

Použitie kyslíkových horákov je cenovo a časovo efektívne riešenie na zníženie výrobných nákladov, zvýšenie výrobných kapacít a flexibility, ako aj efektívne riešenie zníženia emisií.

Obr. 4: Čas ohrevu s technológiou Oxipyr

Kyslíkové aplikácie sú spomínané v mnohých odborných publikáciách, venujúcich sa najlepším dostupným technológiám (BAT – best available techniques). Najčastejšie dôvody na použitie kyslíka sú:
- Vyššia flexibilita vďaka vyššiemu tavnému výkonu a kratšej dobe striedania šarží,
- Zníženie špecifickej spotreby energie,
- Nižšie množstvo odplynov,
- Nižší environmentálny dôsledok „emisie“,
- Nižšie investičné náklady,
- Nie je potrebný predohrev vzduchu,
- Umožňuje integrované dospaľovanie.

Predohrev panví s kyslíkovými horákmi
Panvy sa používajú na transport a manipuláciu roztavených kovov. Panva musí byť pred aplikáciou ohriata na vysoké teploty približne do 1 200°C s cieľom optimalizácie životnosti žiaruvzdorného materiálu a minimalizácie tepelných strát taveniny. Tieto vysoké teploty je v mnohých prípadoch náročné a neekonomické dosiahnuť so starými vzduchovo-palivovými horákmi, v porovnaní s kyslíkovými horákmi. Kratší čas ohrevu a úspora paliva vďaka vyššej tepelnej účinnosti a vyššej tepelnej radiácii, znižujú celkové náklady na kyslíkové horáky, napriek tomu, že je potrebné dodatočné zásobovanie technológie kyslíkom.

* * * * *
Messer Tatragas, s. r. o., člen skupiny Messer Group, je najväčším dodávateľom technických plynov a aplikácií na Slovensku. Aplikácie nachádzajú uplatnenie prakticky vo všetkých odvetviach priemyslu: chémia, ekológia, potravinárstvo, farmácia, zváranie, rezanie, vysokoteplotné procesy alebo tepelné spracovanie.
* * * * *

Ohrev panví je závislý od prestupu tepla, konvekcie, radiácie a od tepelnej vodivosti žiaruvzdorného materiálu. V minulosti spoločnosť Messer uskutočnila testy, s cieľom porovnať rozdiely medzi konvenčným a kyslíkovo-palivovým ohrevom panví. Teploty vnútornej steny boli merané pyrometrom a teploty vonkajšej steny kontaktným teplomerom.
Panva bola nahrievaná vo vertikálnej polohe na cieľovú teplotu 1 000°C s kyslíkovým horákom 90 min / 58 kW a so vzduchovo-palivovým horákom 150 min / 88 kW. Výdrž ohriatej panvy na teplote 1 000°C bola možná s kyslíkovým horákom pri výkone 28 kW a so vzduchovo-palivovým horákom pri výkone 78 kW. Teplota vonkajšej steny bola rovnaká, asi 350°C.
Taktiež boli porovnané rozdiely medzi horizontálnou a vertikálnou polohou panvy v prevádzke. Výsledky sú v tab. 1.

Obr. 5: Predohrev panví s technológiou Oxipyr

Príklad z praxe
Oceliareň vymenila pre 250 t pracovisko vertikálneho predohrevu panví horákový systém z pôvodného zemný plyn + vzduch za nový zemný plyn + O₂.
Ohrev:
- Spotreba ZP pri spaľovaní so vzduchom: 138 Nm3/h
- Kalkulovaná spotreba ZP pri spaľovaní s O₂: 76 Nm3/h
- Optimalizovaná spotreba ZP, Messer oxy-fuel: 51 Nm3/h
- Úspora ZP = 63 %

Sušenie:
- Spotreba ZP pri spaľovaní so vzduchom: 158 Nm3/h
- Kalkulovaná spotreba ZP pri spaľovaní s O₂: 106 Nm3/h
- Optimalizovaná spotreba ZP, Messer oxy-fuel: 95 Nm3/h
- Úspora ZP = 40 %
- ROI investície <<1 rok

Záver
Aplikácie predohrevu panví s horákmi Oxipyr sú navrhované a dizajnované priamo na potreby výrobného procesu. Prostredníctvom kyslíkových aplikácií v mnohých prípadoch možno dosiahnuť vysoké úspory prevádzkových nákladov s minimálnou počiatočnou investíciou. Medzi hlavné výhody kyslíkových aplikácií patrí napr. zvýšenie výkonu jestvujúceho zariadenia, úspora paliva, elektrickej energie a iné. Vyššia účinnosť kyslíkových horákov taktiež významne prispieva k výraznej úspore emisií CO2 a NOx. V súčasnosti kyslíkové aplikácie nachádzajú uplatnenie v rôznych odvetviach priemyslu.

text/toto Ing. Jozef Šuška, Mgr. Juraj Petrovič, Messer Tatragas, s. r. o.; Dipl.-Ing. Burkhardt Holleis, Messer Austria GmbH