Καυστήρες χαμηλών εκπομπών

Μέχρι σήμερα, στα συστήματα θέρμανσης γινόταν χρήση συμβατικών λεβήτων – καυστήρων, που τροφοδοτούνται κυρίως με υγρό ή αέριο καύσιμο. Βραχυπρόθεσμα, η τεχνολογική εξέλιξη στηρίζεται στη χρήση των λεβήτων συμπύκνωσης, οι οποίοι πέρα από τη θερμότητα που εκλύεται από την καύση του καυσίμου, εκμεταλλεύονται και τη θερμότητα που προέρχεται από τη συμπύκνωση των υδρατμών του καυσαερίου, με αποτέλεσμα την αύξηση της απόδοσης σε σχέση με τους συμβατικούς λέβητες.

Μεσοπρόθεσμα, θα επιτευχθεί από τα συστήματα κεντρικής θέρμανσης υψηλότερος βαθμός απόδοσης σε πιο συμπαγή κατασκευή, με τη συνδυασμένη χρήση νέων καυστήρων ακτινοβολίας σε λέβητες συμπύκνωσης.

Εκτιμάται ότι τα συστήματα αυτά θα έχουν τουλάχιστον κατά 10% υψηλότερη απόδοση, ενώ οι εκπομπές θα μειωθούν στο 1/5 σε σχέση με αυτές από τους συμβατικούς λέβητες. Η εφαρμογή των προτύπων, των οδηγιών και των κανονισμών που στοχεύουν στη βελτίωση της απόδοσης των συσκευών στην αγορά είναι πολύ σημαντική.

Επίσης, η πρόοδος της τεχνολογίας αφήνει ακόμα ένα μεγάλο περιθώριο για βελτίωση, όπως στην περίπτωση του μεγαλύτερου μέρους που σχετίζεται με την αντικατάσταση του συμβατικού λέβητα με λέβητες συμπύκνωσης, όπου και θα επιφέρει σημαντική βελτίωση της απόδοσης έως 20%. Για το σκοπό αυτό η τεχνολογική έρευνα εστιάζεται στο σχεδιασμό νέων λεβήτων και καυστήρων, εξετάζοντας το φαινόμενο της καύσης και της μετάδοσης της θερμότητας με στόχο τη μείωση των εκπομπών και την αύξηση της απόδοσης σε τέτοια επίπεδα, όπως είναι αυτά που υπαγορεύει η συμμόρφωση με όσα απαιτεί η νομοθεσία για τα όρια εκπομπών και την ορθολογική χρήση της ενέργειας.

Οι στόχοι της νομοθεσίας

Είμαστε στην εποχή που παρέχονται περισσότερες πληροφορίες προς τον καταναλωτή, και η εφαρμογή ενός ενιαίου συστήματος σήμανσης είναι μια θετική πρωτοβουλία. H καλή ενεργειακή απόδοση του λέβητα και η ασφαλής λειτουργία του επιβεβαιώνονται με τη χορήγηση της σήμανσης CE από διαπιστευμένο φορέα πιστοποίησης.

Η σήμανση CE συνοδεύει το συγκρότημα λέβητα – καυστήρα και δηλώνει ότι αυτό είναι πιστοποιημένο.

Η Οδηγία 2010/31/ΕΕ για την ενεργειακή απόδοσης των κτιρίων, –όπως αυτή έχει συμπληρωθεί με τον κατ’ εξουσιοδότηση Κανονισμό (ΕΕ) αρ.244/2012 της Επιτροπής της 16ης Ιανουαρίου 2012, για “τον καθορισμό συγκριτικού μεθοδολογικού πλαισίου για τον υπολογισμό των επιπέδων βέλτιστου κόστους, των ελάχιστων απαιτήσεων ενεργειακής απόδοσης των κτηρίων και των δομικών στοιχείων”– φέρνει επίσης προς συζήτηση την αξιολόγηση των υπαρχουσών εγκαταστάσεων για την ενεργειακή αποδοτικότητα στα κτίρια.

Είναι σημαντικό να εξασφαλιστεί ότι μια συνεπής προσέγγιση περιλαμβάνει τη νέα εγκατάσταση των συστημάτων κεντρικής θέρμανσης, τις βελτιώσεις των υφιστάμενων συστημάτων και την αντικατάσταση λεβήτων (συμπεριλαμβανομένων των κατάλληλων βελτιώσεων συστημάτων) προκειμένου να πραγματοποιηθεί η εξοικονόμηση ενέργεια.

Οι θερμαντήρες πετρελαίου και αερίου αντιπροσωπεύουν ένα μεγάλο μερίδιο της καταναλισκόμενης ενέργειας στα κτίρια της Ευρώπης, και η Ε.Ε. έχει αποφασίσει να μειώσει την κατανάλωση ενέργειας εισάγοντας απαιτήσεις ενεργειακής απόδοσης και ενεργειακής επισήμανσης, με κλάσεις.

Οι θερμαντήρες χώρου και οι θερμαντήρες συνδυασμένης λειτουργίας που παρέχουν θέρμανση για χώρους και νερό χρήσης εμφανίζουν μεγάλη ανομοιογένεια ως προς την ενεργειακή απόδοση, ενώ η ενέργεια που καταναλώνουν αντιπροσωπεύει σημαντικό μερίδιο της συνολικής ενεργειακής ζήτησης στην Ευρωπαϊκή Ένωση. Σημειώνεται ότι με τον όρο «θερμαντήρες» αναφερόμαστε σε λέβητες ζεστού νερού (ΛΖΝ), που τροφοδοτούνται με πετρέλαιο και αέριο.

Σχηματισμός μονοξειδίου του άνθρακα CO και αιθάλης

Στα καύσιμα, οι καύσιμες ενώσεις (ή στοιχεία όπως το αμιγές υδρογόνο H2 , το υδρογόνο από τις ενώσεις CH και το θείο S στο καύσιμο) έχουν υψηλότερη τάση από τον άνθρακα C και οξειδώνονται για να σχηματίσουν υδρατμούς Η2 Ο και οξείδια του θείου SOx. Λόγω της έλλειψης οξυγόνου, ο άνθρακας από τις ενώσεις CH δεν μπορεί να οξειδωθεί πλήρως. Αυτό οδηγεί στο σχηματισμό CO (άνθρακα που δεν έχει καεί πλήρως) και αιθάλης.

Αν τα συστατικά σε μια στοιχειομετρική καύση μετατραπούν πλήρως σε CO2 , SO2 , Η2 O και N2 , με αποτέλεσμα να μην περιέχεται στο καυσαέριο καύσιμο ή οξυγόνο, τότε η καύση χαρακτηρίζεται ως «τέλεια» και «πλήρης».

Στην πραγματικότητα, για την επίτευξη μιας τέλειας καύσης, απαιτείται γενικά μια περίσσεια οξυγόνου (ή αέρα), που είναι τόσο πιο μεγάλη, όσο είναι δυσμενέστερες οι συνθήκες ανάμειξης του οξυγόνου με το καύσιμο. Αν στο καύσιμο προσαχθεί οξυγόνο λιγότερο από το στοιχειομετρικά απαιτούμενο, τοτε η καύση δεν είναι πλήρης.

Η καύση χαρακτηρίζεται ως ατελής όταν δεν καταναλίσκεται όλο το καύσιμο και γίνεται παραγωγή CO, άκαυστου CH και αιθάλης, με κυριότερα αίτια είτε την έλλειψη οξειδωτικού μέσου είτε γενικά την ύπαρξη συνθηκών που δεν ευνοούν την καύση, όπως είναι:

• Ανεπαρκής ανάμειξη του καυσίμου και του οξειδωτικού μέσου. Κάτω από αυτές τις συνθήκες, παρά την καύση που συμβαίνει με περίσσεια αέρα, υπάρχουν ζώνες χαμηλού οξυγόνου μέσα στη φλόγα. Αυτό οδηγεί στον σχηματισμό CO και αιθάλης.
• Χαμηλή θερμοκρασία των τοιχωμάτων του θαλάμου καύσης. Το μέγεθος του θαλάμου καύσης είναι επίσης ένας σημαντικός παράγοντας. Αν είναι πολύ μικρό, τότε υπάρχει πρόσκρουση φλόγας, η οποία αποτρέπει την πλήρη καύση από το να πραγματοποιηθεί. Εάν είναι πολύ μεγάλο, τότε η φλόγα υφίσταται πολλή ψύξη, που οδηγεί επίσης σε CO και σχηματισμό αιθάλης.Το CO και η αιθάλη στα καυσαέρια επιφέρουν απώλειες ενέργειας και θερμότητας παρουσιάζουν σοβαρά μειονεκτήματα, όπως είναι:
• Ρύπανση του περιβάλλοντος με μονοξείδιο του άνθρακα (άχρωμο, άοσμο, δηλητηριώδες αέριο). Κίνδυνος έκρηξης εξαιτίας αναφλέξεων μη ελεγχόμενων διαφυγών.
• Κακή απόδοση ενέργειας: Η αιθάλη είναι ένας εξαιρετικός θερμομονωτικός παράγοντας (ένα στρώμα αιθάλης 1 mm μπορεί να μειώσει τηναπόδοση κατά περίπου 4%).

Επίσης το μονοξείδιο του άνθρακα είναι εύφλεκτο συστατικό καυσίμου, που δεν χρησιμοποιείται.

Οξείδια του αζώτου NOx

Οι ρύποι που εξαρτώνται από το καύσιμο, δηλαδή το SO2 , CO2 , τέφρα, είναι μεν επιβλαβείς για την ατμόσφαιρα του περιβάλλοντος και την υγεία, αλλά ο σχηματισμός τους δεν μπορεί να περιορισθεί επεμβαίνοντας στη διαδικασία της καύσης, αφού εξαρτάται άμεσα από το είδος και τη σύνθεση του καυσίμου. Έμμεσα, με αύξηση του βαθμού απόδοσης (μείωση κατανάλωσης καυσίμου, αλλαγή καυσίμου) και χρήση συστήματος αντιρρύπανσης, μπορεί να ελαττωθεί το ρυπαντικό φορτίο των παραπάνω εκπομπών.

Κύριος στόχος σχεδιασμού και εξέλιξης για τους κατασκευαστές λεβήτων και καυστήρων είναι ο περιορισμός των εκπομπών που εξαρτώνται από τις συνθήκες της καύσης (από θερμοκρασία, περίσσεια αέρα, μερική πίεση οξυγόνου στο όριο της φλόγας, ποιότητα ανάμειξης καυσίμου-αέρα, χρόνο παραμονής στην περιοχή καύσης και χρόνο αντίδρασης), όπως είναι το μονοξείδιο του άνθρακα CO, τα οξείδια του αζώτου NOx, η αιθάλη και οι υδρογονάνθρακες. Με τον όρο «οξείδια του αζώτου» (NOx) εννοούμε κυρίως ενώσεις όπως το μονοξείδιο του αζώτου (NO), το διοξείδιο του αζώτου (NO2 ) και το υποξείδιο του αζώτου (N2 O), που είναι γνωστό ως «αέριο γέλιου». Άλλες λιγότερες συνήθεις ενώσεις που περιλαμβάνονται στα οξείδια του αζώτου είναι το N2O4 και το N2O5 · ωστόσο αυτές εμφανίζονται σε πολύ μικρές ποσότητες και τα αποτελέσματά τους δεν απαιτούν, σύμφωνα με τις ισχύουσες πρακτικές, μέτρα μείωσης αυτών.

Kατά την καύση, ανάλογα με τον τύπο του καυστήρα, στα καυσαέρια των θερμικών μηχανών το 90- 97% των NOx είναι με τη μορφή ΝΟ και 3-10% είναι με τη μορφή του ΝΟ2 . Ωστόσο, όταν τα καυσαέρια βρεθούν σε χαμηλότερες θερμοκρασίες κατά την έξοδό τους στην ατμόσφαιρα, μετατρέπονται σχεδόν εξ ολοκλήρου σε NO2 .

Το ΝΟ είναι ένα άχρωμο αέριο, δηλητηριώδες για τον άνθρωπο, ενώ μεταξύ άλλων μπορεί να προκαλέσει ενοχλήσεις στα μάτια και στο λάρυγγα, ναυτία και πονοκέφαλο. Στην περίπτωση παρατεταμένης έκθεσης σε υψηλές συγκεντρώσεις NO, προκαλείται βήχας, δυσκολία στην αναπνοή και κυάνωση, με θανάσιμες επιπτώσεις.

Το ΝΟ2 , από την άλλη, έχει ερυθρό – σκούρο καφέ χρώμα, είναι έντονα δραστικό και οξειδωτικό, και η οσμή του είναι αποπνικτική. Πρόκειται για ένα αέριο ιδιαίτερα τοξικό και επικίνδυνο, εξαιτίας της ικανότητάς του να προκαλεί πνευμονίτιδα και οιδήματα στην αναπνευστική οδό. Τα άμεσα συμπτώματα από την εισπνοή του είναι παρόμοια με αυτά του NO, ενώ μπορεί να προκαλέσει ανεπανόρθωτη βλάβη στην αναπνευστική λειτουργία, οδηγώντας ακόμη και στο θάνατο. Ο λόγος για τον οποίο γίνονται προσπάθειες για τον έλεγχο των εκπομπών NOx είναι περισσότερο η συμμετοχή τους σε ένα πλήθος αντιδράσεων με άλλες ανθρωπογενείς ενώσεις (CO, SO2 , πτητικές οργανικές χημικές ενώσεις), που οδηγούν στο σχηματισμό όζοντος Ο3 και νέφους σε χαμηλά στρώματα της ατμόσφαιρας, ενώ επιπρόσθετα σχηματίζονται σωματίδια πολύ μικρής διαμέτρου (κάτω των 2,5 μm), τα οποία προκαλούν σοβαρά προβλήματα υγείας, μέχρι και θάνατο με επικίνδυνες επιπτώσεις. Ακόμη, σε συνδυασμό με το SO2 και άλλα όξινα αέρια προκαλεί το φαινόμενο της όξινης βροχής.

Μηχανισμοί σχηματισμού των οξειδίων του αζώτου NOx Θερμικό NOx

Τα θερμικά NOx, όπως υποδηλώνει και το όνομά τους, σχηματίζονται σε υψηλές θερμοκρασίες από την αντίδραση του αζώτου του αέρα καύσης με το οξυγόνο, όπως αυτή περιγράφεται από το μηχανισμό Zeldovich. Οι δύο κυρίαρχες αντιδράσεις του μηχανισμού σχηματισμού των θερμικών NOx είναι οι ακόλουθες: O + N2 –> NO + N N + O2 –> NO + O

Η πρώτη αντίδραση λαμβάνει χώρα όταν τα μόρια του οξυγόνου διαχωρίζονται σε άτομα κάτω από πολύ υψηλές θερμοκρασίες. Τα άτομα οξυγόνου O αντιδρούν με μόρια N2 , παράγοντας NO και N. Το ατομικό άζωτο που σχηματίζεται, αντιδρά με το μοριακό οξυγόνο (δεύτερη αντίδραση), με επιπλέον παραγωγή NO και ατομικού οξυγόνου.

Ο παραπάνω μηχανισμός εμφανίζεται σε θερμοκρασίες υψηλότερες των 1.100ο C και 1.300ο C. Ο βαθμός μετατροπής αυξάνεται εκθετικά με περαιτέρω αύξηση της θερμοκρασίας και είναι ευθέως ανάλογος της συγκέντρωσης του ατομικού οξυγόνου.

Για αυτό το λόγο οι στρατηγικές μείωσής τους προσανατολίζονται στα εξής βήματα:

• Στον περιορισμό της τοπικής συγκέντρωσης των Ν2 και O2 κοντά στις περιοχές της μέγιστης θερμοκρασίας φλόγας.
• Στη μείωση του χρόνου παραμονής των N2 και O2 κοντά στις περιοχές της μέγιστης θερμοκρασίας φλόγας.
• Στη μείωση της ίδιας της μέγιστης θερμοκρασίας φλόγας.

NOx λόγω του καυσίμου

Τα NOx καυσίμου δημιουργούνται από την απευθείας οξείδωση του στοιχειακού Ν των οργανικών αζωτούχων συστατικών που βρίσκονται στο καύσιμο. Ο σχηματισμός του εξαρτάται μερικώς από τη θερμοκρασία και λαμβάνει χώρα σε περιοχές θερμοκρασιών σημαντικά μικρότερες από αυτές στις οποίες σχηματίζεται το θερμικό ΝΟx και από τη συγκέντρωση του οξυγόνου στην περιοχή της φλόγας.

Είναι άμεσα εξαρτώμενος από την περιεκτικότητα των καυσαερίων σε οξυγόνο, δηλαδή αυξάνει όταν αυξάνεται ο λόγος αέρα και επηρεάζεται σημαντικά από τη διαδικασία ανάμειξης του καυσίμου με τον αέρα. Επειδή τα ΝΟx καυσίμου προέρχονται από το Ν του ίδιου του καυσίμου, το ύψος των εκπομπών τους παρουσιάζει έντονη συσχέτιση με τη σύσταση του καυσίμου, που χρησιμοποιείται. Κατά συνέπεια, στην περίπτωση αερίων καυσίμων υψηλής ποιότητας όπως είναι το φυσικό αέριο, δεν υπάρχει οργανικά συζευγμένο Ν στο καύσιμο και έτσι ο μηχανισμός παραγωγής των ΝΟx καυσίμου είναι αδρανής.

Αντίθετα, ιδιαίτερα έντονη είναι η δράση του στην περίπτωση που χρησιμοποιείται πετρέλαιο, άνθρακας, απορρίμματα ή συγκεκριμένα είδη βιομάζας, όπου η σύσταση του αζώτου στο καύσιμο είναι υψηλότερη.

Οι μηχανισμοί σχηματισμού των εκπομπών Νοx και CO είναι αντίρροποι. Έτσι, η έλλειψη Ο2 από τη μία θα επιφέρει μείωση του σχηματισμού ΝΟx, από την άλλη όμως υπάρχει ο κίνδυνος ατελούς καύσης. Με περίσσεια αέρα αυξάνονται σε ποσότητα τα δυο αντιδρώντα άζωτο και οξυγόνο (αύξηση ΝΟx), ενώ με συνεχιζόμενη αύξηση της περίσσειας αέρα μειώνεται ο ρυθμός σχηματισμού ΝΟx, αφού ο αέρας που δεν απαιτείται για την καύση συμβάλλει στην ψύξη της φλόγας.

Η παραμονή των καυσαερίων στην εστία είναι σημαντικός παράγοντας στο σχηματισμό ΝΟx.

Άμεσο NOx

Τα άμεσα NOx σχηματίζονται από τη σχετικά ταχύτατη αντίδραση (γι’ αυτό ονομάζονται και άμεσα) μεταξύ αζώτου, οξυγόνου και ριζών υδρογονανθράκων CH. Συνήθως ονομάζονται και Fenimore NOx (από τον C.P Fenimore ο οποίος εισήγαγε και τον όρο “άμεσα”).

Κατά την αντίδραση σχηματίζονται ενώσεις κυανίου που μετατρέπονται εν μέρει σε ΝΟ. Ο σχηματισμός είναι συνάρτηση της στοιχειομετρικής σχέσης αέρα/καυσίμου και της θερμοκρασίας. Εξαρτάται από την ποσότητα του οξυγόνου, την ταχύτατη αντίδραση μεταξύ του Ν2 και του Ο2 (1- 2ms) ιδιαίτερα για τιμές του λόγου αέρα από 0,7 – 0,8, και την εξάρτηση από την πιθανή προανάμειξη της φλόγας.

Το ποσοστό του ΝΟx που σχηματίζεται κατ’ αυτό τον τρόπο, σε σχέση με το συνολικό ΝΟx, είναι μικρό.

Πρωτογενείς μέθοδοι μείωσης NOx, σε καυστήρες χαμηλών εκπομπών NOx συμβατικής τεχνολογίας, που τροφοδοτούνται με υγρό ή αέριο καύσιμο

Μεταξύ άλλων, στα κριτήρια επιλογής καυστήρα για το «ταίριασμα» με την εστία καύσης, είναι απαραίτητη η γνώση της αντίστασης του καυσαερίου στη διαδρομή του στον λέβητα, ώστε να μπορεί να ανατρέξει κανείς στα αντίστοιχα διαγράμματα του καυστήρα. Αυτή η ενέργεια είναι πολύ βασική για την αποδοτική λειτουργία του συγκροτήματος λέβητα – καυστήρα. Οι πιεστικοί καυστήρες υγρού καυσίμου, για να πλησιάσουν την τέλεια καύση, διασκορπίζουν το καύσιμο (πετρέλαιο θέρμανσης) στο χώρο του λέβητα με τη μορφή νέφους λεπτών σταγονιδίων (εκνέφωση).

Γενικά, η βασική αρχή λειτουργίας των συμβατικών καυστήρων αντιρρυπαντικής τεχνολογίας είναι ο έλεγχος της θερμοκρασίας και των συνθηκών καύσης μέσω ανακυκλοφορίας μέρους των καυσαερίων (δηλαδή, η ψύξη της φλόγας και η δημιουργία αναγωγικής ατμόσφαιρας), διαδικασία που αυξάνει τον όγκο της και συνεπώς την επιφάνεια ακτινοβολίας της φλόγας.

Η σταθερότητα της φλόγας και το χρώμα της μέσα στην εστία καύσης του λέβητα μας δίνουν τις πρώτες ενδείξεις για την ποιότητα της καύσης. Η λειτουργία του λέβητα με καυστήρα χαμηλών εκπομπών έχει ως αποτέλεσμα χαμηλότερο θερμοκρασιακό πεδίο στην περιοχή της φλόγας, και συνεπώς μειωμένες εκπομπές ΝΟx.

Κυριαρχούν τέσσερα είδη συμβατικών καυστήρων χαμηλών εκπομπών NOx:

• 1. Με (εσωτερική ή εξωτερική) ανακυκλοφορία καυσαερίου.
• 2. Με πλήρη εξαέρωση του καυσίμου.
• 3. Με βαθμιαία προσαγωγή αέρα.
• 4. Με βαθμιαία προσαγωγή καυσίμου (περίπτωση μόνο αερίου καυσίμου).

Καυστήρες με εσωτερική ανακυκλοφορία καυσαερίου

Τα σταγονίδια του καυσίμου αναμειγνύονται με τον αέρα καύσης και διασκορπίζονται με μορφή νέφους σταγονιδίων με τη βοήθεια των θερμών καυσαερίων που επιστρέφουν τοπικά στο σημείο έναυσης. Επιπλέον, η πτώση της θερμοκρασίας στη φλόγα οδηγεί σε μείωση των εκπομπών NOx. Πριν την έναυση είναι πιθανό να μη γίνει πλήρης εξάτμιση του καυσίμου, και αναγκαστικά παραμένει ένα μέρος άκαυστου άνθρακα (αιθάλη) που δίνει στη φλόγα το κίτρινο χρώμα της.

Η μείωση των εκπομπών NOx σε αυτό το είδος των καυστήρων επιτυγχάνεται με τοποθέτηση ενός σωλήνα ανακυκλοφορίας μπροστά από την κεφαλή του καυστήρα. Μέσω του σωλήνα αυτού, οδηγούνται καυσαέρια ξανά πίσω στη φλόγα, και έτσι αποφεύγεται η ανύψωση της θερμοκρασίας στο κέντρο της σε πάνω από 1.300ο C.

Ένα ακόμα χαρακτηριστικό των καυστήρων αυτών είναι η σταθεροποίηση της καύσης μέσω της επιφάνειας ανακοπής στην κεφαλή του καυστήρα. Προϋπόθεση για τη σταθεροποίηση της αντίδρασης είναι η επίτευξη ισορροπίας μεταξύ της ταχύτητας της ροής του μείγματος και της φλόγας. Η επιφάνεια ανακοπής αυξάνει την ταχύτητα του εισερχόμενου αέρα λόγω της στένωσης της διατομής.

Στα κατάντη της ροής πέφτει σημαντικά η ταχύτητα, έτσι ώστε με εξίσωση των ταχυτήτων των δύο ρευμάτων να μπορεί να σχηματισθεί μέτωπο φλόγας.

Στο σχήμα 7 παρουσιάζεται η αρχή λειτουργίας του καυστήρα χαμηλών εκπομπών NOx, με ανακυκλοφορία καυσαερίων. Η ανακυκλοφορία καυσαερίων στην εστία καταναλίσκει σημαντικό ποσοστό ενέργειας, και άνω του 25% δεν προσφέρει σχεδόν κανένα πλεονέκτημα. Στο σχήμα 8 απεικονίζεται η θετική επίδραση της ανακυκλοφορίας, στη μείωση του σχηματισμού ΝΟx.

Μείωση ΝΟx με εξωτερική ανακυκλοφορία καυσαερίου

Η ανακυκλοφορία εφαρμόζεται σε αέρια καύσιμα και επιτρέπει την επίτευξη εξαιρετικά χαμηλών εκπομπών NOx. Η ανάμειξη καυσαερίων με τον κανονικό αέρα καύσης μειώνει τη συγκέντρωση οξυγόνου και συνεπώς και την παροχή οξυγόνου στη θερμή ζώνη αντίδρασης. Αυξάνει επίσης την ταχύτητα ροής, μειώνοντας έτσι το χρόνο παραμονής στη ζώνη αντίδρασης για το άζωτο και το οξυγόνο.

Σε αντίθεση με την προηγούμενη τεχνική, η παρούσα εξασφαλίζει πλήρη εκνέφωση του καυσίμου. Η γενική αρχή λειτουργίας καυστήρων αυτού του τύπου παρουσιάζεται στο σχήμα 2.

Ο πρωτογενής αέρας (1) φτάνει την πλάκα ανακοπής (3) στην κεφαλή του καυστήρα αφού έχει ήδη μειώσει την ταχύτητά του περνώντας από μια διάτρητη πλάκα (2). Έτσι, το διασκορπισμένο καύσιμο εξαερώνεται αναμειγνυόμενο με τον αέρα καύσης.

Προκύπτει έτσι ένα ομογενές πλούσιο μείγμα το οποίο καίγεται στο κέντρο της φλόγας (4). Ο δευτερογενής αέρας (5) εισέρχεται με μεγαλύτερη ταχύτητα από τον πρωτογενή χάρη σε ειδική κατασκευή του καυστήρα, προκαλώντας στροβιλισμούς κατά την έξοδό του από την κεφαλή του καυστήρα.

Η υποπίεση που επικρατεί στα κατάντη της πλάκας ανακοπής απορροφά θερμά καυσαέρια από τη ζώνη (4), οπότε το καύσιμο εξατμίζεται πλήρως και καίγεται στη ζώνη (2). Η χαρακτηριστική γαλάζια φλόγα που σχηματίζεται λόγω της πλήρους εξάτμισης του καυσίμου αποδεικνύει ότι η καύση είναι εξαιρετικά «καθαρή» και δε διαφέρει από την καύση του φυσικού αερίου.

Καυστήρες βαθμιαίας προσαγωγής αέρα

Το καύσιμο μαζί με τον πρωτεύοντα αέρα καύσης εγχέονται μέσω ενός κεντρικού αγωγού, με τρόπο ώστε να σχηματίζουν έναν αξονικό πυρήνα στο εσωτερικό της φλόγας, στον οποίο επικρατούν υποστοιχειομετρικές συνθήκες. Λόγω της χαμηλής συγκέντρωσης οξυγόνου στην περιοχή αυτή, αναστέλλεται ο σχηματισμός NOx (αναγωγική ατμόσφαιρα), ενώ η θερμοκρασία διατηρείται σε χαμηλά επίπεδα (ατελής καύση).

Η κύρια φλόγα εξασφαλίζει τη σταθερότητα της φλόγας και τη δημιουργία της δευτερεύουσας φλόγας. Ο δευτερεύων αέρας που απαιτείται για την πλήρη καύση εγχέεται με τρόπο ώστε η ανάμειξή του με το υποστοιχειομετρικό μείγμα να είναι αργή και σταδιακή, σε αντίθεση με τους συμβατικούς καυστήρες, όπου είναι ταχύτατη και τυρβώδης.

Καυστήρες βαθμιαίας προσαγωγής καυσίμου

Οι καυστήρες βαθμιαίας προσαγωγής καυσίμου είναι σχεδιασμένοι μόνο για καύση αερίου καυσίμου, σε αντίθεση με τους καυστήρες βαθμιαίας προσαγωγής αέρα. Μέσω ενός ακροφυσίου εγχέεται μέρος του καυσίμου μαζί με το σύνολο του αέρα καύσης στην εστία, ενώ το υπόλοιπο καύσιμο παρέχεται μέσω πρόσθετων περιφερειακών αγωγών.

Τα περιφερειακά πτερύγια λειτουργούν υπό υψηλή πίεση, με αποτέλεσμα να συμπαρασύρουν τα καυσαέρια, τα οποία με τη σειρά τους ανακυκλοφορούν εσωτερικά της εστίας και αναμειγνύονται με τα υπόλοιπα αντιδρώντα. Μια υψηλή ταχύτητα περιστροφής επιτρέπει τη ρύθμιση της γεωμετρίας της φλόγας.

Η δυνατότητα χειρισμού της διαμέτρου της φλόγας, μαζί με χαμηλή φόρτιση σε εγκάρσια τομή, επιτυγχάνει μείωση των NOx.

Απαιτήσεις νομοθεσίας σχετικά με τις επιτρεπόμενες εκπομπές CO & NOx από θερμαντήρες θέρμανσης

Από 26 Σεπτεμβρίου 2018 οι απαιτήσεις με όρια εκπομπών για οξείδια αζώτου (NOx), ανηγμένα ως διοξείδιο του αζώτου και εκφρασμένα σε mg NO2 equ / kWh για θερμαντήρες, δεν πρέπει να υπερβαίνουν τις τιμές του πίνακα 1.

Σχέσεις διόρθωσης των μετρημένων τιμών εκπομπών NOx

Διόρθωση της επίδρασης της θερμοκρασίας του αέρα καύσης και της υγρασίας στις εκπομπές ΝΟx. Όπου: NOxref: είναι η τιμή των NOx διορθωμένη σε συνθήκες αναφοράς για υγρασία 10g/kg και για θερμοκρασία 20°C και εκφράζεται σε mg/kWh. NΟxm::είναι η μετρούμενη NOxm σε υγρασία hm και θερμοκρασία Tm σε mg/kWh για εύρος από 50 mg/kWh σε 300 mg/kWh. hm: είναι η υγρασία κατά τη διάρκεια της μέτρησης των NOxm σε g/kg, για εύρος τιμών από 5g/ kg έως 15g/kg. Tm: είναι η θερμοκρασία κατά τη διάρκεια της μέτρησης των NOxm σε°C, για εύρος τιμών από 15°C σε 25°C.

Διόρθωση της επίδρασης της περιεκτικότητας του καυσίμου σε Ν2, στις εκπομπές ΝΟx

Όπου: NOx(EN267) : είναι η τιμή NOx διορθωμένη στις συνθήκες αναφοράς των 140 mg αζώτου/ kg επιλεγμένου πετρελαίου. NOxref:είναι η μετρούμενη τιμή NOx. Nmeas: είναι η τιμή της περιεκτικότητας του πετρελαίου σε άζωτο, μετρούμενη σε mg/kg.Nref = 140 mg/kg.

• Τα σχήματα και οι πίνακες παρουσιάζονται στην έντυπη έκδοση του Θερμοϋδραυλικού Φεβρουάριος 2020.