Mode­lo­wa­nie CFD pomaga opra­co­wać naj­lep­sze palniki na gaz ziemny na świecie

Kom­pu­te­rowa dyna­mika płynów, w skrócie CFD, służy przede wszyst­kim do nume­rycz­nego mode­lo­wa­nia prze­pły­wów gazów i cieczy. CFD umoż­li­wia eks­per­tom Oilon symu­la­cję różnych pro­ce­sów, takich jak dzia­ła­nie palnika, z dużym wyprze­dze­niem przed stwo­rze­niem fizycz­nego pro­to­typu. Przy­spie­sza to rozwój, zmniej­sza koszty i skut­kuje ogólnie lepszym pro­duk­tem.

Kraje na całym świecie coraz bar­dziej ogra­ni­czają emisję NOx. Wymaga to cią­głego rozwoju tech­no­lo­gii spa­la­nia i kotłów, ale jest też inny czynnik, który należy wziąć pod uwagę: jakie paliwo zasto­so­wać. Firma Oilon uczy­niła rozwój tech­no­lo­gii spa­la­nia o niskiej zawar­to­ści NOx prio­ry­te­tem. Innym obsza­rem zain­te­re­so­wa­nia są paliwa alter­na­tywne, które speł­niają kry­te­ria zrów­no­wa­żo­nego rozwoju. W ostat­nich latach dzia­ła­nia firmy kon­cen­tro­wały się w szcze­gól­no­ści na roz­wią­za­niach o niskiej zawar­to­ści NOx dla gazu ziem­nego. Przyj­rzyjmy się jednemu przy­kła­dowi.

LN30 Ultra low NOx – nowa rodzina pal­ni­ków

To tutaj dzieje się magia, w głowicy spa­la­nia”, powie­dział Joonas Kat­te­lus, dyrek­tor ds. tech­no­lo­gii w firmie Oilon. „Nie­dawno wpro­wa­dzi­li­śmy nową rodzinę pro­duk­tów Mono­block, LN30. Podczas spa­la­nia gazu ziem­nego w tych pal­ni­kach możemy osią­gnąć rekor­dowo niski poziom emisji NOx, poniżej 2,5 ppm (5 mg/Nm3). Są to palniki pre­mik­sowe z długą, rurową głowicą spa­la­nia. Naj­mniej­szy członek rodziny ma mak­sy­malną moc 900 kW (3,4 MMbtu/h), a naj­więk­szy 4,9 MW (18,6 MMBtu/h). Są to palniki prze­my­słowe i zajmują niższą do śred­niej pozycję w port­fo­lio pro­duk­tów firmy Oilon.

Maailman parhaat maakaasupolttimet suunnitellaan CFD-mallinnuksen avulla
Joonas Kat­te­lus w labo­ra­to­rium rozwoju pro­duk­tów firmy Oilon pre­zen­tuje palnik z serii LN30. Tło przed­sta­wia różnej wiel­ko­ści kotły do testo­wa­nia pal­ni­ków.

„Na rynku od lat ist­nieją już inne palniki z pre­mik­sem. Jednak to, co teraz ofe­ru­jemy, jest znacz­nie lepsze niż jakie­kol­wiek poprzed­nie modele. Dla przy­kładu, porów­najmy nasze nowe roz­wią­za­nie z tech­no­lo­gią pal­ni­ków siat­ko­wych z mie­sza­niem wstęp­nym, w których mie­szanka paliwowo-​powietrzna jest mak­sy­mal­nie homo­ge­ni­zo­wana poprzez poda­wa­nie jej do pale­ni­ska przez ciasną siatkę. Nasze palniki LN30 nie mają siatki; zamiast tego używamy długiej rury z dyszami na jednym końcu do poda­wa­nia paliwa i powie­trza do pieca w celu spa­la­nia”.

Kat­te­lus wyja­śnia, że palnik oparty na siatce wymaga wyjąt­kowo czy­stego powie­trza do spa­la­nia, ponie­waż w prze­ciw­nym razie zanie­czysz­cze­nia mogłyby zatkać siatkę w głowicy spa­la­nia. W prak­tyce sku­teczna fil­tra­cja jest koniecz­no­ścią, a sam filtr wyma­gałby czę­stego czysz­cze­nia. Tech­no­lo­gia ta nie może być sto­so­wana w śro­do­wi­skach o dużym zapy­le­niu. Palniki z serii LN30 nie mają filtra; filtr nie jest wyma­gany, ponie­waż nie ma małych otworów podat­nych na zaty­ka­nie.

Niska emisja NOx przy niskich pozio­mach tlenu reszt­ko­wego

„Jedną z istot­nych nowych cech serii LN30 jest obni­żony poziom tlenu reszt­ko­wego (O2)”, kon­ty­nu­uje Kat­te­lus. „W tra­dy­cyj­nych pal­ni­kach z mie­sza­niem wstęp­nym, limit NOx 9 ppm można osią­gnąć tylko przy pozio­mie tlenu reszt­ko­wego 7-8%. Dzięki tym pal­ni­kom możemy to osią­gnąć przy pozio­mie O2 tak niskim jak 4-6%. Przy 6-8% O2, możemy zejść nawet do 5 ppm. Natu­ral­nie naszym celem było uzy­ska­nie jak naj­niż­szego poziomu tlenu reszt­ko­wego, ponie­waż popra­wia to wydaj­ność”.

„Byliśmy w stanie dostroić nasz premiks bardzo blisko per­fek­cji, co zaowo­co­wało znacz­nym wzro­stem wydaj­no­ści”. Proces mie­sza­nia został opra­co­wany w całości przy użyciu CFD. Wybie­ra­jąc odpo­wiedni kształt głowicy spa­la­nia i dysz oraz odpo­wied­nie roz­miesz­cze­nie dysz, udało nam się utrzy­mać nie­zwy­kle zwarty płomień. Płomień dobrze pasuje nawet do mniej­szego pieca”.

Kat­te­lus dodaje, że idealna mie­szanka wstępna zmniej­szy również ryzyko powsta­wa­nia CO. Zazwy­czaj, gdy poziom NOx spada, poziom CO wzrasta. Dzięki dosko­na­łej mie­szance wstęp­nej cały CO jest zuży­wany, a problem jest unikany.

Kolejną zaletą długiej głowicy spa­la­nia jest to, że promuje ona wewnętrzną recyr­ku­la­cję spalin (IFGR) w przed­niej części pieca. W tym pro­ce­sie obo­jętne gazy spa­li­nowe są mie­szane z mie­szanką paliwowo-​powietrzną. Chłodzi to płomień, zmniej­sza­jąc powsta­wa­nie ter­micz­nych związ­ków NOx i umoż­li­wia­jąc sto­so­wa­nie niższej zawar­to­ści O2 w spa­li­nach.

„Tra­dy­cyj­nie mie­sza­nie gazów spa­li­no­wych osiąga się za pomocą zewnętrz­nej recyr­ku­la­cji gazów spa­li­no­wych (FGR), w której spaliny są dopro­wa­dzane do pieca z zewnątrz. Jednak zewnętrzny FGR ma ogra­ni­cze­nia, które mogą być pro­ble­ma­tyczne dla nie­któ­rych klien­tów w pewnych sytu­acjach”.

Według Kat­te­lus, Oilon zwe­ry­fi­ko­wał nie­za­wod­ność i wydaj­ność nowej rodziny pal­ni­ków za pomocą szeroko zakro­jo­nych testów labo­ra­to­ryj­nych. Pro­dukty uzy­skały również cer­ty­fi­kat UL. Sprzęt palnika dla pierw­szego przy­padku tere­no­wego w Stanach Zjed­no­czo­nych został uru­cho­miony, a kolejne dostawy są obecnie w toku. Oilon dostar­cza pro­dukty LN30 na inne rynki już od kilku lat, z dobrymi wyni­kami.

Firma Oilon ma zgło­szone patenty na nową tech­no­lo­gię w Europie i Chinach. Tech­no­lo­gia jest już opa­ten­to­wana w USA.

Mode­lo­wa­nie CFD jest kluczem do dosko­na­łej inży­nie­rii i rozwoju

Przez prawie 15 lat Oilon wyko­rzy­sty­wał obli­cze­nia CFD w inży­nie­rii i rozwoju pal­ni­ków. Obecnie CFD jest jednym z głów­nych narzę­dzi roz­wo­jo­wych sto­so­wa­nych w Oilon. We wcze­snych latach obli­cze­nia CFD wyma­gały dłu­giego czasu prze­twa­rza­nia i miały ten­den­cję do dostar­cza­nia nie­do­kład­nych wyników, co ozna­czało, że narzę­dzie zostało zde­gra­do­wane do roli pomoc­ni­czej. Jednak wraz ze wzro­stem mocy obli­cze­nio­wej, doj­rze­wa­niem modeli obli­cze­nio­wych i roz­wo­jem know-​how firmy, CFD stało się bar­dziej opła­calne i od kilku lat służy jako główne narzę­dzie roz­wo­jowe firmy.

„Obecnie opra­co­wu­jemy tech­no­lo­gię spa­la­nia sto­so­waną w naszych pro­duk­tach w dużej mierze przy użyciu symu­la­cji CFD”. Zazwy­czaj war­to­ści, które otrzy­mu­jemy, są dokład­nie takie same jak te, które mie­rzymy w rze­czy­wi­stym fizycz­nym pro­to­ty­pie”, powie­dział Kat­te­lus. „Kiedyś two­rzy­li­śmy kilka pro­to­ty­pów podczas opra­co­wy­wa­nia palnika, a testo­wa­nie każdego z nich trwało długo. Teraz, dzięki CFD, uzy­sku­jemy lepsze wyniki szyb­ciej i przy niż­szych kosz­tach, nawet w śro­do­wi­sku pełnym coraz bar­dziej rygo­ry­stycz­nych wymagań. Z jednej strony branża kotłów dąży do utrzy­ma­nia jak naj­mniej­szych wymia­rów pieca w celu obni­że­nia kosztów, a z drugiej strony prze­pisy mają na celu obni­że­nie pozio­mów emisji. Ist­nieje kon­flikt między tymi dwoma celami, ponie­waż mniej­szy piec zwięk­szy emisję NOx”.

„Natu­ral­nie, zarówno wydaj­ność kotła, jak i wiel­kość emisji NOx zależą od obu części sumy: palnika i pieca. Poziomy emisji zależą od kilku para­me­trów, ale główną zasadą jest to, że poprawa trans­mi­sji ciepła z pło­mie­nia do pieca zawsze zmniej­szy emisję NOx. Ist­nieje wiele spo­so­bów, aby to popra­wić, takich jak opty­ma­li­za­cja wymia­rów pieca, pofał­do­wa­nie pieca i zmi­ni­ma­li­zo­wa­nie użycia mate­ria­łów ognio­trwa­łych. Mode­lo­wa­nie CFD pozwala nam współ­pra­co­wać z pro­du­cen­tami kotłów, aby zapew­nić naj­lep­szy możliwy wynik.

Uni­kalne know-​how CFD i dosko­nałe labo­ra­to­rium

Przez lata firma Oilon zdobyła bogate doświad­cze­nie i uni­kalne know-​how w zakre­sie wyko­rzy­sta­nia mode­lo­wa­nia CFD. Wiedza ta jest wspie­rana przez dosko­nałe zaple­cze labo­ra­to­ryjne w centrum rozwoju pro­duk­tów firmy. Te dwa ele­menty tworzą kom­bi­na­cję, która jest trudna do poko­na­nia: pomiary z labo­ra­to­rium są wyko­rzy­sty­wane do opra­co­wy­wa­nia modeli CFD, które z kolei są wery­fi­ko­wane i dalej testo­wane w labo­ra­to­rium. Według Kat­te­lus, firma posiada naj­bar­dziej zaawan­so­wane na świecie modele spa­la­nia gazu ziem­nego, zwłasz­cza jeśli chodzi o mode­lo­wa­nie emisji.