Tecnologie e concetti dei bruciatori: soddisfare le emissioni

1 settembre 2022 | Di Jonathan Stoeger

Per raggiungere ambiziosi obiettivi di sostenibilità, sono in fase di sviluppo nuove tecnologie di bruciatori e configurazioni di controllo per contribuire a ridurre significativamente le emissioni di NOx

Molte aziende leader del settore hanno fissato obiettivi di sostenibilità ambiziosi per la riduzione delle emissioni e l’efficienza energetica guidati da fattori come il cambiamento climatico, l’Accordo di Parigi e varie normative nazionali, statali e locali.

Negli Stati Uniti, la California è sempre stata all’avanguardia nella riduzione delle emissioni. È stato il primo stato a imporre uno standard di emissione di 30 parti per milione (ppm) per gli ossidi di azoto (NOx), che successivamente è sceso a 15 ppm di NOx e poi a soli 9 ppm di NOx. Ora, alcune contee della California stanno imponendo un requisito di 2 ppm di NOx sulle caldaie industriali a tubi d’acqua (IWT) più grandi. Altri stati seguiranno l’esempio con requisiti di emissioni di NOx di 30 ppm o addirittura inferiori.

L’industria delle caldaie continua a introdurre tecnologie e soluzioni avanzate che riducono le emissioni di NOx e CO (Figura 1). Oggi esistono diverse tecnologie di combustione e stili di combustione, a seconda dell’applicazione, del combustibile e delle dimensioni della combustione, disponibili per i combustibili tradizionali e rinnovabili. Queste nuove offerte, abbinate a sistemi di controllo avanzati, garantiscono un elevato turndown, un rapporto carburante/aria costante e ripetibilità nella combustione.

FIGURA 1. Sono imminenti requisiti per ridurre le emissioni di NOx e CO e le tecnologie dei bruciatori si stanno evolvendo per contribuire a raggiungere questi obiettivi

Il turndown è un concetto importante da comprendere. Per quanto riguarda gli impianti a caldaia, è un rapporto che identifica le impostazioni di fuoco alto e fuoco basso di un impianto. Ad esempio, un bruciatore da 100 milioni di Btu/h con turndown 10:1 raggiungerà la fiamma alta a 100 milioni di Btu/h e la fiamma bassa a 10 milioni di Btu/h. Il vantaggio principale di un elevato turndown per un sistema di caldaie è la riduzione del ciclo, che riduce il consumo energetico e lo stress termico della caldaia.

Riducendo il ciclismo, è necessario meno carburante e meno emissioni vengono rilasciate nell’atmosfera. Il turndown dipende fortemente dal design del bruciatore. Molti sistemi di bruciatori ad alto abbassamento richiedono un sistema di controllo avanzato: in genere, questi comportano il posizionamento parallelo o sistemi completamente misurati.

Il tipo di NOx che viene maggiormente ridotto con la tecnologia dei bruciatori è il NOx termico. Ciò può essere ottenuto abbassando la temperatura della fiamma o eliminando prontamente gli NOx, alcuni dei quali possono essere ridotti ottimizzando la miscela combustibile-aria nel bruciatore. Esistono diversi tipi di tecnologie di bruciatori e sistemi di combustione che possono essere implementati oggi, e ognuno ha le proprie caratteristiche per ridurre gli NOx e aumentare l’efficienza. Questi metodi includono quanto segue:

La suddivisione in fasi del combustibile inietta una parte del combustibile principale da miscelare con i gas di combustione nel forno prima dell'accensione (Figura 2). Pertanto, diluisce il carburante con i gas, principalmente N2 e H2O. La suddivisione del combustibile in questo modo fa sì che si accenda la fiamma principale e il volume diminuisce la quantità di trasferimento di calore radiante del forno. Questo trasferimento di calore radiante aiuta a raffreddare la fiamma. La combustione di questi due effetti riduce la temperatura della fiamma, diminuendo così la formazione di NOx.

FIGURA 2. La suddivisione del combustibile con induttori di gas di scarico prevede l'iniezione di una parte del combustibile principale nel forno prima dell'accensione, che serve a diluire il combustibile con i gas, abbassando efficacemente la temperatura della fiamma e inibendo la produzione di NOx

Dietro il processo, alcuni degli iniettori di gas sul lato esterno della testa di combustione (o sulla parte perforata della testa) hanno al loro interno un'unica, grande griglia, chiamata iniettori a fasi. Questi iniettori dirigono i getti di carburante all'esterno della fiamma principale di combustione.

Gli orifizi di iniezione più grandi producono getti più grandi che viaggiano ulteriormente all'interno del forno stesso. Una miscelazione più lenta prima dell'accensione sulla fiamma principale produce un involucro di fiamma più ampio che aiuta ad aumentare il trasferimento di calore radiante. Un maggiore trasferimento di calore dalla caldaia al forno e nella fiamma stessa produce più calore e aumenta le emissioni di NOx.