Plynové spotřebiče (III)

5. Průmyslové plynové spotřebiče

Stav průmyslových spotřebičů v ČR

Vlivem útlumu hutních výrob a částečně i těžkého strojírenství se v posledních deseti letech v ČR snížil počet provozovaných průmyslových plynových spotřebičů. Z původního počtu asi 1200 pecí je v současné době provozována cca jedna polovina pecí a dalších spotřebičů různých typů:

Hutnictví a strojírenství:

• ohřívací pece narážecí, krokové, hlubinné, komorové, vozové, strkací karuselové aj.
• pece pro tepelné zpracování kovů (komorové, vozové, poklopové, válečkové aj.)
• tavicí pece pro barevnou metalurgii
• pece pro sušení slévárenských písků, forem a jader
• pece pro chemickou úpravu kovů (cementace, nitridace)
• fosfátovací a zinkovací pece aj.

Sklářský průmysl:

• tavicí vanové a pánvové pece
• chladicí pece komorové, pásové a válečkové
• roztáčecí pece pro ruční zpracování skla
• mačkací pece pro výrobu figurek
• automaty na výrobu skleněných tvárnic
• stroje na výrobu brýlových skel

Keramický průmysl:

• tunelové pece pro výpal obkládaček a dlaždic
• tunelové a komorové pece pro výpal užitkové a sanitní keramiky
• tunelové pece pro výpal užitkového porcelánu
• komorové pece pro výpal kameniny
• komorové pece pro výpal elektroporcelánu
• vozokomorové a tunelové pece pro výpal žáruvzdorných materiálů
• pece pro výpal tuhových výrobků
• komorové pece pro výpal umělecké keramiky aj.

Stavebnictví:

• rotační pece pro výrobu cementu
• šachtové pece pro výpal vápna
• komorové a kruhové pece pro výpal červených cihel a tvárnic

Chemický průmysl:

• fluidní sušárny
• tavicí kotle
• petrochemické pece
• autoklávy

Potravinářský průmysl:

• pekařské pece
• oplatkové automaty
• varny piva
• sušárny sladu

Plynové pece představují nejvýznamnější skupinu průmyslových plynových spotřebičů. Vedle plynových pecí se však v průmyslu používá značný počet spotřebičů pro různé pomocné technologické ohřevy, jako např.:

• ohřev železničních nákolků
• žíhání nábojnic
• požehování tkanin
• sušení automobilových pružin
• opalování izolací plynových potrubí
• sušení a ohřev slévárenských pánví
• sušení licích forem
• stroje pro pražení kávy a oříšků
• kotle pro vaření asfaltových laků
• ruční plynové hořáky

Vedle těchto technologických spotřebičů existují v nejrůznějších oborech lidské činnosti zvláštní plynové spotřebiče, jako jsou např.:
spalovací pece na nemocniční odpady (obr. 1) plynové kremační pece řecké ohně plynové lampy aj.	Obr. 1

Značná část průmyslových plynových spotřebičů, které jsou v současné době v provozu, je starší než 30 let a tomu odpovídá i jejich technický a fyzický stav, měrné spotřeby plynu a výkonové parametry.

U uživatelů plynových pecí přetrvává i v současné době stav nehospodárného využívání plynných paliv. Měrné spotřeby plynu pecí, které jsou v ČR v současné době v provozu, převyšují o více než 30% světový průměr. Příčinou tohoto stavu není pouze technický stav pecí, ale i způsob jejich řízení a kvalifikace obsluhujícího personálu. Tento stav se nezlepšuje ani se zvyšováním cen plynu, které dosud dostatečně nemotivují odběratele ke snižování spotřeb plynu výměnou a obnovou pecního parku.

Za stávající nepříznivé ekonomické situace většiny průmyslových podniků nelze očekávat, že v dalších pěti až deseti letech dojde k radikálnímu zvýšení podílu nových moderních plynových pecí.

Konstrukce plynových pecí

Plynová pec je plynový spotřebič s uzavřeným, tepelně izolovaným pracovním prostorem, určený pro technologický ohřev vsázky teplem, vzniklým spalováním plynných paliv.

Obr. 2: Plynová vozová pec pro tepelné zpracování oceli.

Konstrukční řešení plynových pecí vychází z jejich technologického určení. Všechny typy plynových pecí mají tyto společné konstrukční skupiny:

• ocelové konstrukce s pohybovými mechanizmy
• topné systémy s plynovými hořáky a armaturami
• vyzdívky a tepelné izolace
• měřicí a regulační zařízení
• silnoproudá elektrozařízení (elektropohony)
• systém odtahu spalin z pece

Topné systémy plynových pecí

Topný systém plynové pece představuje soubor technických zařízení sloužících k bezpečnému a hospodárnému vytápění pece plynem. Topné systémy s ejekčními hořáky sestávají z těchto základních částí a armatur:

• hlavní uzávěr plynu
• regulátor tlaku plynu
• plynový filtr
• plynoměr
• tlakoměry
• manostaty
• bezpečnostní rychlouzávěr
• plynové potrubí (rozvod plynu od hlavního uzávěru plynu k jednotlivým hořákům, odvzdušňovací potrubí)
• uzavírací a regulační orgány plynu
• plynové hořáky, zapalovací a stabilizační hořáky, případně zapalovací a hlídací zařízení

Topné systémy s hořáky s nuceným přívodem spalovacího vzduchu sestávají obvykle z těchto dalších částí:

• ventilátoru spalovacího vzduchu
• hlavního uzávěru vzduchu
• tlakoměrů vzduchu
• manostatů vzduchu
• vzduchového potrubí (rozvod vzduchu od ventilátoru k hořákům)
• uzavíracích a regulačních orgánů vzduchu
• regulátoru spalovacího poměru
• rekuperátoru nebo regenerátoru

Měření a regulace topných systémů

Pod tímto pojmem se rozumí soubor měřicí a regulační techniky sloužící ke kontrole a řízení provozu topných systémů plynových pecí. Pro ekonomický a bezpečný provoz topných systémů plynových pecí se měří tyto parametry:

• přetlak plynného paliva v potrubí před hořáky
• přetlak spalovacího vzduchu v potrubí před hořáky
• hodinová spotřeba plynu
• teplota spalin před rekuperátorem
• teplota spalovacího vzduchu za rekuperátorem
• teploty v pracovním prostoru pece
• tlak v pracovním prostoru pece aj.

Při provozních zkouškách topných systémů plynových pecí se dále kontrolují tyto veličiny:

• složení spalin (při seřizování hořáků a při zkouškách kvality spalování)
• pevnost a těsnost rozvodu plynu (tlaková zkouška)
• tahové poměry komína

Při provozu plynových pecí se regulují tyto veličiny:

• teploty v pracovním prostoru pece, resp. průběh teplotních křivek
• spalovací poměr plynného paliva a vzduchu
• tlak ve spalovacím prostoru pece
• teplota spalin před rekuperátorem aj.

Stupeň vybavení topných systémů měřicími a regulačními přístroji je dán velikostí pecí a jejich technologickým významem.

Zabezpečení topných systémů plynových pecí

Topné systémy plynových pecí se ve smyslu normy ČSN 063003 zabezpečují proti těmto provozním poruchám:

1. Proti samovolnému zhasnutí plynových hořáků při poklesu tlaku zemního plynu nebo spalovacího vzduchu pod přípustnou mez nebo při jejich vzrůstu nad přípustnou mez.
2. Proti samovolnému zhasnutí plynových hořáků např. při regulaci jejich výkonu, při porušení spalovacího poměru, při náhlém vzrůstu tlaku ve spalovacím prostoru, při poruše spalinového ventilátoru a pod.

Pro zajištění topných systémů plynových pecí proti uvedeným poruchám se používají tyto armatury a přístroje:

• bezpečnostní rychlouzávěry klapkového nebo ventilového provedení
• elektromagnetické ventily, případně ventily s elektropohonem ovládané manostaty v rozvodu plynu a spalovacího vzduchu
• hlídače plamene instalované v plynových hořácích, které ovládají elektromagnetické ventily v rozvodu plynu

Norma ČSN 063003 - Průmyslové plynové pece, požaduje u pecí s trvalou pracovní teplotou nižší než 750°C trvalou stabilizaci plamene každého hořáku (stabilizační hořáky, případně hlídače plamene).
Zabezpečovací zařízení závislé na el. proudu musí při přerušení dodávky proudu samočinně uzavřít přívod plynu k hořákům pece. Při obnově dodávky el. proudu se nesmí zabezpečovací zařízení samovolně otevřít.
U pecí s cirkulací spalin a u pecí s umělým odtahem spalin ventilátory musí být uzavření přívodu plynu do hořáků vázáno na jejich funkci.
Norma dovoluje po zvážení všech místních podmínek provozu nahrazení zabezpečovacího zařízení proti poklesu a vzrůstu tlaku plynu a vzduchu signálním zařízením.

Přenos tepla v pracovním prostoru plynových pecí

Spaliny vzniklé při spalování zemního plynu jsou primárním nositelem tepelné energie pro ohřev vsázky v pracovním prostoru pece. Přenos tepla ze spalin na vsázku se uskutečňuje třemi způsoby:

• sáláním (spalin na vsázku, spalin na vyzdívku pece, vyzdívky na vsázku)
• konvekcí (prouděním spalin podél povrchu vsázky)
• vedením (prohřívání vsázky z povrchu do vnitřku)

Při ohřevu vsázky v plynových pecích se všechny uvedené způsoby přenosu tepla uplatňují současně, při různé a časově proměnné intenzitě jednotlivých způsobů sdílení tepla (obr. 3)

Obr. 3

Přenos tepla sáláním je způsob přenosu tepla na vsázku sáláním plamene, spalin, vyzdívky pece a vzájemným sáláním povrchů vsázky. Intenzita sálání spalin v pracovním prostoru pecí je závislá na teplotě spalin a na jejich složení, zejména na obsahu vodní páry a oxidu uhličitého ve spalinách a na tloušťce vrstvy spalin. Intenzita sálání plamene je závislá zejména na jeho svítivosti, tj. na obsahu pevných částic (sazí) v plameni.

Přenos tepla konvekcí je způsob přenosu tepla na vsázku prouděním spalin v pracovním prostoru pece. Intenzita konvekčního ohřevu vsázky v pracovním prostoru pece je dána teplotou spalin a rychlostí proudění spalin kolem povrchu vsázky.

Přenos tepla vedením je způsob přenosu tepla z povrchu ohřívaného tělesa do jeho středu, případně z jednoho povrchu tělesa na druhý povrch.

Ohřev vsázky v plynových pecích

Ohřev vsázky v plynových pecích je technologický proces, při kterém je vsázce dodáváno teplo spalováním zemního plynu až do dosažení teploty vsázky potřebné pro další zpracování. Ohřev vsázky v plynové peci se podle tepelného režimu pecí dělí na:

• ohřev s časově ustáleným tepelným režimem, který probíhá v kontinuálně pracujících pecích (válečkové, tunelové, pásové karuselové, narážecí aj. pece)
• ohřev s časově neustáleným tepelným režimem, který probíhá v pecích s periodickým provozem (komorové, vozové, poklopové aj. pece)

Konvekční ohřev vsázky

V každé plynové peci působí na vsázku všechny druhy přenosu tepla uvedené na obr. 3. Použitím různých typů plynových hořáků je možno preferovat jeden ze způsobů ohřevu - sálavý, případně konvekční, jehož účinek na vsázku převažuje.
Převážně konvekční ohřev vsázky se uskutečňuje v plynových pecích otápěných hořáky, jejichž spaliny vystupují z ústí, případně ze spalovacího kanálu zvýšenou rychlostí a tím vytvářejí proudění kolem povrchu vsázky. Tento způsob ohřevu je vhodný zejména pro členitou vsázku, u níž se sálavý efekt uplatňuje obtížně vzhledem k vzájemnému stínění jednotlivých komponentů vsázky.

Impulzní ohřev vsázky

Impulzní ohřev vsázky v plynových pecích představuje intenzifikovaný konvekční ohřev vsázky, uskutečňovaný prostřednictvím impulzních hořáků, které se vyznačují vysokou rychlostí spalin, vytékajících z ústí hořáku.

Sálavý ohřev vsázky

Sálání v pracovním prostoru plynové pece se řídí těmito zákony:

1. Množství vyzářeného tepla je přímo úměrné ploše povrchu sálajícího tělesa
2. Množství tepla vysálaného plochou tělesa je přímo úměrné čtvrté mocnině absolutní teploty povrchu tělesa
3. Intenzita sálání klesá úměrně s rostoucím úhlem sklonu sálající a osálané plochy

Z těchto fyzikálních zákonů vyplývá i možnost uplatnění sálavých hořáků, tedy hořáků, u kterých převažuje sálavý způsob přenosu tepla ve spalovacím prostoru plynových pecí:

• sálavý ohřev je vhodný pro velké rovné plochy vsázky, která nemá členitý povrch
• sálavý ohřev se účinně uplatňuje u technologií s teplotou vyšší než 900°C
• sálající plocha hořáku musí být pokud možno rovnoběžná s povrchem vsázky

Tepelné ztráty plynových pecí

Ztráty tepla plynové pece představují část tepla dodaného do pece spalováním plynného paliva, které se v peci efektivně nevyužije, a rovnají se rozdílu celkového množství tepla dodaného do pece spalováním plynného paliva a užitečného tepla vsázky.

• Ztráta tepla spalinami, odcházejícími z pracovního prostoru spotřebiče (komínová ztráta)
• Ztráta tepla stěnami spotřebiče
• Ztráta tepla akumulací ve spotřebiči
• Ztráta tepla sáláním z pracovních otvorů spotřebiče

Další, méně podstatné ztráty jsou např. ztráty nedokonalým spalováním zemního plynu nebo ztráty, které vznikají při provozu plynových pecí (ztráty chladicí vodou, ztráty tepla okujemi) aj.

Ztráta tepla odcházejícími spalinami (komínová ztráta) tvoří u plynových pecí, stejně jako u všech typů plynových spotřebičů, největší ztrátovou položku. Podíl na celkových ztrátách pecí je však značně vyšší než u ostatních plynových spotřebičů a dosahuje až 70% celkového tepla dodaného peci oproti 10 až 15 % v případě plynových kotlů. Tento rozdíl je způsoben vysokými teplotami v pracovním prostoru pecí, při kterých probíhají technologické procesy (tavení oceli, skla, výpal keramiky, ohřev ocelí před tvářením aj.).
Pro možnost snížení ztráty tepla pecí odcházejícími spalinami se používají výměníky tepla (rekuperátory a regenerátory), které ohřevem spalovacího vzduchu teplem odcházejících spalin tuto ztrátu snižují a zvyšují tak účinnost využití zemního plynu.

Pracovní teploty v plynových pecích

Pracovní teploty v různých typech plynových pecí jsou uvedeny v tab. 1.

Typ pece	Pracovní teplota tp   [°C]
Siemens-martinská pec	1650 až 1700
Narážecí a krokové pece pro ohřev ingotů a předvalků	1300 až 1400
Ohřívací kovářské pece	1300 až 1350
Pece pro normalizační žíhání ocelí	1050 až 1150
Kalicí pece	1100 až 1200
Pece pro výpal žáruvzdorné keramiky	1450 až 1700
Sklářské tavicí vany	1450 až 1600
Šachtové pece pro výpal vápna	1300 až 1400

Tab. 1

Legislativa průmyslových plynových spotřebičů

Základním předpisem pro projekci, konstrukci, výrobu, zkoušení, montáž, provoz, obsluhu a údržbu, prohlídky, revize, opravy a rekonstrukce průmyslových plynových pecí je norma ČSN 063003 Průmyslové plynové pece, základní ustanovení. Tato norma je s malými změnami (novela z r. 1983) platná od r. 1969 a přestože je v některých pasážích již zastaralá, je dosud všeobecně respektována. Základním záměrem této normy je sjednotit pravidla pro konstrukci plynových rozvodů pecí, které jsou z hlediska bezpečnosti provozu nejexponovanější částí plynových pecí.

ČSN 061950 - Průmyslová tepelná zařízení na plynná paliva je předpisem, který upravuje podmínky pro konstrukci, výrobu a provoz technologických ohřevů. Tato norma platí od r. 1992. Přínosem normy je, že uvádí dovolené koncentrace CO a NO_x ve spalinách těchto spotřebičů. Rovněž tato norma volá po aktualizaci a přehodnocení některých požadavků. Dalšími předpisy, které se týkají průmyslových plynových spotřebičů, případně jejich částí, jsou:

• zákon č. 22/1997 Sb. - Posuzování shody s technickými požadavky na výrobky s jeho prováděcími předpisy, kterými jsou Nařízení vlády č. 177/1997 Sb. a č. 173/1997 Sb.
• Vyhláška ČÚBP o kontrolách, revizích a zkouškách plynových zařízení

Hospodárnost provozu plynových pecí

Principem hospodárnosti provozu plynových pecí je stejně jako u všech plynových spotřebičů dosažení nízkých hodnot ztrát tepla. Největší ztrátovou položkou je u plynových pecí ztráta tepla odcházejícími spalinami. Dalšími významnými položkami jsou ztráty tepla akumulací ve zdivu a konstrukci pecí a ztráta tepla stěnami.
V jednom m³ spalin zemního plynu s teplotou 1200°C je obsaženo cca 1870 kJ, t.j. 0,52 kWh tepla. Po výstupu spalin z pracovního prostoru pece je toto teplo možno částečně využít pro ohřev spalovacího vzduchu, přiváděného do hořáků pece. O hodnotu takto využitého tepla se snižuje spotřeba zemního plynu. Úspora tepla ohřevem spalovacího vzduchu představuje snížení množství tepla, dodaného peci spálením plynu o teplo dodané peci ohřátým spalovacím vzduchem:

Ú	úspora tepla předehřátím spalovacího vzduchu	[%]
Hi	výhřevnost plynného paliva	[kJ.m-3]
qv	teplo dodané peci skutečným objemem spalovacího vzduchu Vv ohřátým na teplotu t2v	[kJ.m-3]
Vs	skutečný objem spalin	m3.m-3]
cssp	střední měrná tepelná kapacita spalin	[kJ.m-3.°C-1]
t1sp	teplota spalin na vstupu do rekuperátoru (regenerátoru)	[°C]

Teplo q_v dodané skutečným objemem spalovacího vzduchu ohřátého v rekuperátoru nebo regenerátoru na teplotu t_2V je teplo obsažené ve skutečném objemu spalovacího vzduchu potřebném pro spálení 1 m³ plynu, t.j. v objemu V_v = n.V_vT a stanoví se z rovnic:

resp:

VvT	stechiometrický objem spalovacího vzduchu. Pro tranzitní zemní plyn je VvT = 9,555 m3.m-3
n	násobek stechiometrického objemu spalovacího vzduchu	[-]
csv	střední měrná tepelná kapacita vzduchu	[kJ.m-3.°C-1]
t2V	teplota spalovacího vzduchu na vstupu do hořáků pece	[°C]

Na obr. 4 je znázorněna závislost úspory zemního plynu (vztažená na spotřebu plynu při spalování se studeným vzduchem) na teplotách spalovacího vzduchu a spalin, při spalování tranzitního zemního plynu s násobkem stechiometrického objemu spalovacího vzduchu n = 1,1.

Obr. 4

Rekuperátory

Rekuperace je nejužívanější způsob využití tepla spalin odcházejících z plynových pecí, pro kontinuální ohřev spalovacího vzduchu ve výměnících, instalovaných v odtazích spalin z pecí. Rekuperace se využívá především u průmyslových plynových pecí s teplotou spalin odcházejících z pracovního prostoru pecí vyšší než 600°C.

Pro ohřev spalovacího vzduchu se používají konvekční, sálavé a kombinované rekuperátory a rekuperační hořáky. Teploty spalovacího vzduchu v rekuperátorech dosahují hodnot
t_2V = 250 až 600°C, při vstupní teplotě spalin t_1sp = 1000°C.
Úspora zemního plynu přitom dosahuje hodnot 15 až 32 %.

Modernizace průmyslových plynových spotřebičů

Za stávající nepříznivé ekonomické situace většiny průmyslových podniků nelze očekávat, že v dalších pěti až deseti letech dojde k radikálnímu zvýšení podílu nových moderních plynových spotřebičů. Někteří uživatelé plynových pecí proto dávají přednost modernizaci starších pecí, která představuje souhrn úprav, zajištujících zvýšení technické úrovně pecí, t.j. zvýšení výkonu, snížení měrných spotřeb plynu, intenzifikaci přenosu tepla v pracovním prostoru průmyslových pecí, zvýšení rovnoměrnosti teplotního pole a zvýšení úrovně řízení technologického procesu.

Náklady na modernizaci představují v závislosti na typu pece, její velikosti, fyzickém stavu a požadovaných parametrech, 40 až 60% nákladů potřebných k pořízení nové pece. U modernizovaných pecí je podle rozsahu jejich úprav možno dosáhnout až 90 % technické úrovně nových pecí. O konečném ekonomickém a technologickém efektu modernizace rozhoduje především kvalita projektu a provedení rekonstrukčních prací a tedy zkušenosti, tradice a solidnost dodavatele.

Cíle modernizace průmyslových pecí lze charakterizovat jako potřebu zlepšit jejich fyzický stav a technické parametry, bezpečnost a hospodárnost jejich provozu. Nedílnou součástí činností souvisejících s modernizací je i vybavení pecí příslušnou dokumentací v souladu s platnou legislativou (revizní knihy plynových spotřebičů, místní provozní řády, montážní dokumentace aj.) a zaučení obsluhy pecí ve způsobu ekonomického řízení jejich provozu.