Brännarteknik

Brännarna i en ugn har som uppgift att:

  • Tillföra ugnen den erforderliga energimängden.
     
  • Blanda bränsle och luft så effektivt att en förbränning kan äga rum (eventuellt också atomisera ett vätskeformigt bränsle).
     
  • Ge de bildade avgaserna sådan hastighet att ugnsgaserna drivs upp i en hög hastighet jämnt fördelad över ugnens tvärsnitt. Hög gashastighet bidrar till hög värmeöverföring genom konvektion.
     
  • Rikta avgaserna så att dessa utnyttjas på bästa sätt för värmning av materialet. Avgasflödet skall träffa ämnena först och avge energi till dem innan de träffar väggar och tak.
     
  • Upprätta ett lokalt högre ugnstryck som minimerar inläckning av kalluft (ugnstrycket beror dock framför allt av avgasspjäll, avgasfläkt och skorsten). Man riktar till exempel brännarna mot uttagsluckan i en ugn, för att i dess omedelbara närhet lokalt höja ugnstrycket så mycket att inläckning av kall luft upphör.
     
  • Genomföra förbränningen så att avgasernas sammansättning blir den önskvärda, till exempel låg halt av kväveoxider.
     

Brännare kan klassificeras på en rad olika sätt. Oftast efter bränsletyp:

  • Brännare för gasformiga bränslen
  • Brännare för flytande bränslen
  • Pulverbrännare  

Eller efter tekniska lösningar för lägre NOx-utsläpp och/eller högre verkningsgrad:

  • Konventionella brännare
  • Låg NOx-brännare
  • Rekuperativa brännare
  • Regenerativa brännare
  • Oxyfuelbrännare
     

Flamman

Med flamma avser man - konventionellt - en zon där förbränningen sker med en sådan hastighet att synligt ljus sänds ut. Flammans utseende och egenskaper beror framför allt på tre saker:

  • Huruvida reaktanterna (oxidanten och bränslet) är blandade eller inte (förblandad flamma kontra diffusionsflamma).
     
  • Hur flödesmönstret ser ut i flamman (laminär flamma kontra turbulent flamma).
     
  • Aggregationstillståndet hos bränslet innan förbränningen (partikelflamma, droppflamma eller gasflamma).
     

Vid flamlös förbränning behövs en definition av flamvolymen som inte har att göra med huruvida den är synlig eller inte.

Intressant för beskrivningen av flammans egenskaper är flödesmönstret, temperaturfördelningen och den kemiska sammansättningen hos flamman. Alla dessa egenskaper påverkar värmeöverföringen i ugnen (därigenom verkningsgraden) och de två senare har också stor betydelse för NOx-utsläppen. Några andra viktiga begrepp vid beskrivandet av flamman är flammrot och flamtemperaturmaxima.

Med flamtemperaturmaxima avser man punkter i flamman där temperaturen lokalt är mycket hög. Temperaturen i flamtemperaturmaxima har stor betydelse för NOx-utsläppen vid förbränning eftersom bildningen av termisk NOx ökar exponentiellt med temperaturen vilket framför allt leder till höga utsläpp vid temperaturer över 1300 °C. För att söka en jämnare temperaturprofil i ugnen används tekniker som air staging och recirkulation av rökgaser in i flamman.
 

Recirkulation av rökgaser

Ett sätt att minska flamtemperaturen är att introducera en inert i förbränningszonen. Inerten absorberar då värme utan att själv bidra till att värme frigörs. Rökgas innehåller framför allt N2, CO2 och H2O vilka inte deltar i de exoterma (värmefrigörande) reaktionerna i förbränningsprocessen. Man kan därför betrakta rökgasen som i princip inert i förhållande till förbränningen. Detta gör att flamtemperaturen kan sänkas genom att recirkulera rökgaserna till flamman. Den kylande effekten förstärks dessutom av att en del av CO2 och H2O i flamman dissocierar, vilket är en endoterm (värmeförbrukande) process. 

Hur stor del rökgaser som kan recirkuleras är begränsat av gränserna för brännbarhet. Om koncentrationen av spädande inerter är för stor räcker helt enkelt inte förbränningsvärmen för att hålla hela gasvolymen vid en temperatur som krävs för tändning och stabil förbränning.

NO-koncentrationen varierar med luftkvot, recirkulationskvot och blandningens starttemperatur. Recirkulationen av rökgasen kan till exempel göras genom att man återför rökgaserna via en extern kanal till blandningszonen. I moderna brännare används dock istället en förhöjd injektionshastighet för att recirkulera rökgaserna in i flamman direkt i förbränningsrummet. Recirkulationen leder också till att förbränningen sprids över en större volym och blir mindre synlig (flamlös förbränning). 

Att hålla flamtemperaturen under kontroll är speciellt viktigt vid regenerativ förbränning och oxyfuelförbränning då man annars riskerar att få en så hög temperatur i flamman att bildningen av termisk NOx understöds. 

Andra metoder som kan användas för att hålla ner flamtemperaturmaxima är "air staging" och "fuel staging" eller spädning av flamman med vatten eller vattenånga.

 

Flamlös förbränning

Förhöjd injektionshastighet i industriella brännare används för att hålla nere NOx-utsläppen. Genom att öka injektionshastigheten och därmed inducera en recirkulation av rökgaserna till flamman, sänks temperaturen på flamman och temperaturprofilen utjämnas samtidigt som uppehållstiden i flamtemperaturmaxima begränsas. Förbränningsförloppet blir då mindre intensivt och sprids ut över en större volym. Bildningen av såväl termisk- som prompt-NOx minskar.

Det extrema fallet är så kallad "flamlös" oxidation där flamman har fått karaktären av en ”volym” med diffus förbränning. Vid flamlös förbränning existerar ingen egentlig flamhållning eller flamrot i traditionell betydelse. En sådan flamma kräver tändning via het luft eller via heta avgaser och ugnsväggar och bildar avsevärt mindre NOx än traditionella flammor. Tekniken kan appliceras på både olja och gasformiga bränslen samt på regenerativ förbränning och oxyfuel förbränning. Genom att skapa en zon med hög bränslekoncentration i flamman kan man underlätta för kemiskt bundet kväve i bränslet att bilda N2 med en sänkning av NOx som följd.
 

Air staging

Air staging, eller "Over Fire Air (OFA)" som det också kallas, är ett sätt att minska NOx-utsläppen i en brännare och innebär att oxidationsmedlet (vanligen luft) introduceras  stegvis.

 
  Principskiss av förbränning med "air staging"

Principskiss av förbränning med "air staging"

 

Air staging innebär att förbränningen genomförs i två steg:

I det första steget - den primära förbränningszonen - tillsätts luften/syret i ett nära nog stökiometriskt förhållande och blandningen är bränslerik (det vill säga har bränsle i överskott). Bildningen av bränsle-NOx undertrycks till förmån för bildning av N2. Eftersom förbränningen sker med ett underskott av syre, kommer brännbara produkter (som CO och H2) finnas kvar.

I ett andra steg tillsätts sedan tillräckligt mycket sekundär luft/syre för fullständig förbränning av bränslet. Vanligt är att man tillsätter så pass mycket sekundär luft att rökgaserna innehåller O2. Detta är nödvändigt eftersom mixningen kan vara dålig. 

Flamtemperaturmaxima i de båda förbränningszonerna (primär och sekundär) är lägre än vid konventionell förbränning. Förbränningsprocessen är inte längre adiabatisk när den delas på två steg eftersom värme utbyts mellan den primära och sekundära zonen. Viktigt är att temperaturen i detta andra steg kontrolleras noggrant för att hålla nere bildningen av termisk NOx. 

En relaterad metod är att introducera bränslet istället för oxidationsmedlet stegvis genom så kallad "fuel staging". Man kan också hålla ner flamtemperaturmaxima vid förbränning genom att introducera en inert i förbränningsprocessen, till exempel genom recirkulation av rökgaser.
 

"Fuel staging" (Reburning)

"Fuel staging" används i koleldade pannor för att minska utsläppen av NOx, men kan i princip användas för alla typer av fossila bränslen. Det går till så att en sekundär bränsleinjektion (kol, naturgas, torv, biomassa eller olja) görs ovanför huvudförbränningszonen för att skapa en reducerande miljö där redan bildad NOx reduceras till N₂. Ovanför den reducerande zonen injiceras sedan återigen luft så att förbränningen av det sekundära bränslet blir fullständig.

 
  Principskiss för "fuel staging" vid förbränning

Principskiss för "fuel staging" vid förbränning

 

I den primära förbränningszonen brinner cirka 80 % av bränslet i en oxiderande eller svagt reducerande miljö. För att minimera NOx-bildningen bör syreöverskottet vara så litet som möjligt (luftkvot, λ, = 1,05-1,1). Den NOx som lämnar denna zon ska sedan reduceras i "reburning"-zonen.

I "reburning"-zonen råder substökiometri, det vill säga bränsleöverskott, vilket gör att det bildas kolväteradikaler. Ett lagom bränsleöverskott ges av en luftkvot, λ, på mellan 0,8 och 1,0. Detta åstadkoms genom att sekundärt bränsle (cirka 20 % av den totala bränsletillförseln) sprutas in. Ju mer flyktigt bränslet är och ju lägre dess kvävehalt, desto lägre NOx-utsläpp kan åstadkommas. Det är också viktigt att bränslet är lätt att tända. Ett bra sekundärt bränsle är till exempel naturgas. Reaktionsmekanismen för "reburning" är komplicerad. Enkelt uttryckt reagerar kolväteradikalerna med NO under produktion av HCN, som sedan oxideras till NCO, som sedan reduceras till N2. För att lyckas bra bör det sekundära bränslet injiceras i en zon med hög temperatur (>1200 °C) för att undvika oönskade reaktioner och att uppehållstiden inte räcker till för fullständig "reburning". Det är också viktigt att inblandningen av det sekundära bränslet är god. Detta kan till exempel åstadkommas genom att recirkulerade rökgaser agerar bärgaser åt det insprutade bränslet.

I slutförbränningszonen råder överstökiometriska, det vill säga syreöverskott. Detta åstadkoms genom att luft sprutas in. Det är viktigt att insprutningen av luft sker på ett sådant sätt att omblandningen blir god. En uppehållstid på mellan 0,7 och 0,9 sekunder krävs för fullständig förbränning (alla kvarvarande kväveinnehållande föreningar ska konverteras till NO eller N2). Förhållandet mellan bränsle och luft i slutförbränningszonen ställs in på ett sådant sätt att bildningen av N2 maximeras. Temperaturen i denna zon bör hållas så låg som möjligt. Med "fuel staging" kan man reducera utsläppen med så mycket som 60 %, men hur stor minskning som man faktiskt lyckas med beror på en rad faktorer som till exempel NOx nivå efter den primära förbränningszonen, vilket bränsle man använder i den "reburning"-zonen, uppehållstid och temperatur i "reburning"-zonen.

(Källa Wlodzimierz Blasiak, High Performance Industrial Furnaces)
 

Strålningstuber

Det finns ugnar där materialet värms i en speciell gas, så kallad skyddsgas, för att materialet skall få önskade ytegenskaper. I en sådan ugn får inte skyddsgasen blandas ut med avgaser från förbränningen eftersom den skyddande effekten då förstörs. Brännarna som då används, byggs in i rör. Den heta flamman och avgaserna värmer rören invändigt till höga temperaturer (ungefär 1000 °C). Rörens utsida värmer, genom strålning och konvektion, det gods som passerar genom ugnen. En sådan brännare kallas strålningstub.