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.
„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.