Verbrandingsregeling bij aardgasovens: lucht-brandstofverhouding, luchtoverschot en verbrandingsanalyse
De verbrandingsregeling is het meest over het hoofd geziene aspect van de werking van een gasoven. De meeste gasovens werken met te veel overtollige lucht, wat leidt tot brandstofverspilling en een lager rendement. Een goed afgestelde brander met de juiste lucht-brandstofverhouding levert een brandstofbesparing op van 5 tot 15 procent en een reductie van 20 tot 50 procent in CO₂-uitstoot. De afstelling is eenvoudig, maar vereist aandacht voor detail en regelmatige controle. Hieronder beschrijf ik het kader dat ik hanteer bij het beoordelen van de werking van een gasoven.
Basisprincipes van verbrandingschemie
Aardgas bestaat voornamelijk uit methaan (CH4) met kleinere hoeveelheden ethaan, propaan en inerte gassen. De volledige verbrandingsreactie met zuivere zuurstof is:
CH4 + 2 O2 -> CO2 + 2 H2O
In de praktijk bestaat de verbrandingslucht uit een mengsel van zuurstof (21 procent) en stikstof (79 procent). De stoichiometrische lucht-brandstofverhouding voor aardgas is 9,5 tot 10,5 kubieke meter lucht per kubieke meter gas, afhankelijk van de gassamenstelling. De werkelijke lucht-brandstofverhouding in een verbrandingsoven is altijd hoger dan de stoichiometrische verhouding, omdat er extra lucht nodig is om een volledige verbranding te garanderen.
De overtollige lucht is de hoeveelheid lucht die boven de stoichiometrische hoeveelheid wordt toegevoerd. Deze wordt uitgedrukt als een percentage van de stoichiometrische lucht. Bijvoorbeeld: 10 procent overtollige lucht betekent dat de werkelijke lucht-brandstofverhouding 1,10 keer de stoichiometrische verhouding is.
Waarom overtollige lucht belangrijk is
Een bepaalde hoeveelheid extra lucht is nodig voor een volledige verbranding. Bij te weinig lucht is de verbranding onvolledig en bevatten de uitlaatgassen CO en onverbrande koolwaterstoffen. De CO en de onverbrande koolwaterstoffen vertegenwoordigen brandstofverlies en vormen een regelgevingsprobleem.
Bij te veel lucht absorbeert de overtollige lucht warmte van de vlam en voert deze af via de uitlaat. De temperatuur van de uitlaatgassen stijgt en het brandstofrendement daalt. De optimale hoeveelheid lucht is de laagste waarde die zorgt voor een volledige verbranding met een lage CO-uitstoot.
Voor aardgasbranders is de optimale hoeveelheid overtollige lucht 5 tot 10 procent voor hogesnelheidsbranders en 10 tot 20 procent voor lagesnelheidsbranders met atmosferische toevoer. De CO-uitstoot moet bij dit optimum onder de 50 ppm (gecorrigeerd naar 3 procent O2) blijven.
Hoe overtollige lucht de efficiëntie beïnvloedt
De relatie tussen overtollige lucht en efficiëntie is significant. Een verlaging van de luchttoevoer van 20 procent naar 10 procent verbetert de brandstofefficiëntie met 3 tot 5 procent. Een verlaging van 10 procent naar 5 procent verbetert de efficiëntie met nog eens 1 tot 2 procent. Bij een luchttoevoer lager dan 5 procent stijgt de CO-uitstoot snel en wordt het risico op onvolledige verbranding een veiligheids- en kwaliteitsprobleem.
Bij een gasgestookte cv-ketel van 5 MW die 6000 uur per jaar draait, levert een efficiëntieverhoging van 5 procent een brandstofbesparing op van 250 kW, oftewel 1,5 miljoen kWh aardgas per jaar. Bij een prijs van 0,40 USD per kubieke meter komt dat neer op een besparing van 150.000 tot 200.000 USD per jaar aan brandstofkosten.
Verbrandingsanalyseprocedure
De verbrandingsanalyse wordt uitgevoerd met een draagbare rookgasanalysator. Deze analysator meet de O2, CO, CO2, NO, NO2 en de temperatuur in de uitlaatgassen. De analyse duurt 30 tot 60 minuten per brander en de procedure is als volgt:
Start de oven en breng hem op bedrijfstemperatuur.
2. Steek de sonde in de uitlaatgasstroom in de buurt van de brander.
3. Noteer de samenstelling van de rookgassen bij het huidige verbrandingsvermogen.
4. Stel de lucht-brandstofverhouding zo af dat de O2-waarde de gewenste waarde bereikt.
5. Controleer of de CO-concentratie onder de limiet ligt (doorgaans 50 ppm, gecorrigeerd naar 3 procent O2).
6. Herhaal dit voor elke vuursnelheid binnen het werkingsbereik.
Het streef-O2-gehalte voor een recuperatieve brander met hoge luchtsnelheid is 3 tot 5 procent (wat overeenkomt met 15 tot 25 procent overtollige lucht). Voor een lagedruk-NOx-brander met rookgasrecirculatie (FGR) is het streef-O2-gehalte 5 tot 8 procent. Het CO-gehalte moet lager zijn dan 50 ppm bij het streef-O2-gehalte.
Als het CO-gehalte hoger is dan 50 ppm bij de beoogde O2-waarde, moet de brander worden nagekeken. De meest voorkomende oorzaken van een te hoog CO-gehalte zijn: versleten branderopeningen (vervang de brander), vervuilde branderopeningen (reinig de brander) en een onjuiste lucht-brandstofverhouding (kalibreer de verhoudingsregelaar opnieuw).
Veelvoorkomende verbrandingsproblemen
Probleem 1: De luchttoevoer is te hoog. Het symptoom is een hoog O2-gehalte in de uitlaatgassen (meer dan 5 procent bij een hogesnelheidsbrander), een hoge uitlaatgastemperatuur en een laag brandstofrendement. De oorzaak is meestal een verkeerd afgestelde lucht-brandstofverhouding, een lekkende luchtklep of een verkeerd uitgelijnde brander. De oplossing is om de verhouding opnieuw af te stellen, de klep te repareren of de brander opnieuw uit te lijnen.
Probleem 2: CO-gehalte te hoog. Het symptoom is een CO-gehalte van meer dan 50 ppm in de uitlaatgassen, rook in de uitlaatgassen en mogelijk roet op de werkstukken. De oorzaak is meestal een te lage lucht-brandstofverhouding (te weinig lucht), een versleten brander of een verstopte luchtinlaat. De oplossing is om de luchttoevoer te verhogen, de brander te vervangen of de luchtinlaat te reinigen.
Probleem 3: NOx-gehalte te hoog. Het symptoom is een NO-gehalte van meer dan 100 ppm in de uitlaatgassen. De oorzaak is meestal een te hoog brandstofrendement met onvoldoende FGR, een verkeerd afgestelde brander of een te hoge luchttoevoer. De oplossing is het installeren of afstellen van de FGR, het opnieuw afstellen van de brander of het verminderen van de luchttoevoer.
Probleem 4: Onregelmatige verbranding. Het symptoom is een schommelende oventemperatuur, een schommelend zuurstofgehalte in de uitlaatgassen en een ongelijkmatige verwarming. De oorzaak is meestal een versleten regelaar, een lekkende luchtklep of een schommelende gasdruk. De oplossing is het vervangen van de regelaar, het repareren van de klep of het installeren van een gasdrukregelaar.
Regelsystemen voor de lucht-brandstofverhouding
Moderne gasovensystemen maken gebruik van een kruisbegrenzingsregelaar om de lucht-brandstofverhouding over het gehele verbrandingsbereik op de optimale waarde te houden. Het kruisbegrenzingsmechanisme vergrendelt de lucht- en gaskleppen zodanig dat de lucht altijd iets voorloopt op het gas (of iets achterloopt, afhankelijk van het brandertype). Dit voorkomt dat de brander te arm wordt bij een verhoging van het vermogen of te rijk bij een verlaging ervan.
De ratio-regelaar gebruikt een brandstofdebietmeter (of een gasdruksignaal) en een luchtdebietmeter om de werkelijke lucht-brandstofverhouding te berekenen. De berekende verhouding wordt vergeleken met de streefwaarde en de luchtregelaar wordt aangepast om de streefwaarde te handhaven. De regelaar heeft ook een trim-ingang van de O2-analysator, die langetermijnafwijkingen in de lucht-brandstofverhouding corrigeert.
Een goed afgestelde lucht-brandstofregelaar handhaaft de lucht-brandstofverhouding binnen 2 procent van de streefwaarde over het gehele schietbereik. Een slecht afgestelde regelaar kan 10 tot 20 procent afwijken, met bijbehorende verliezen in efficiëntie en uitstoot.
Jaarlijkse onderhoudsbeurt van de verbranding
MONTE INTELLIGENCE adviseert een jaarlijkse verbrandingsafstelling voor alle gasgestookte cv-ketels. Deze afstelling wordt uitgevoerd door een servicemonteur en omvat: een verbrandingsanalyse van elke brander bij drie verschillende vermogensniveaus (laag, gemiddeld, hoog), kalibratie van de ratio-regelaar, inspectie van de ontsteker en vlamstaaf, en inspectie van de luchtklep en het gasventiel. De afstelling duurt 1 tot 2 dagen per cv-ketel en de gemiddelde energiebesparing bedraagt 3 tot 8 procent gedurende de volgende 12 maanden.
De kosten van de onderhoudsbeurt worden binnen 1 tot 3 maanden terugverdiend door lagere brandstofkosten. Tijdens de onderhoudsbeurt worden ook problemen met de brander en de besturing opgespoord die, indien niet verholpen, tot ongeplande stilstand kunnen leiden.
Neem contact op met MONTE INTELLIGENCE voor meer informatie over het optimaliseren van uw verbranding.
Voor kopers die geïnteresseerd zijn in een afstelling van de verbranding van een bestaande gasoven, kan MONTE INTELLIGENCE engineering een servicebezoek inplannen en een schriftelijk rapport opstellen met de testresultaten en de aanbevolen aanpassingen.www.cnlymonte.com/products-gas-furnace.html Voor productspecificaties. Voor een servicebezoek kunt u een e-mail sturen naar helenxu@cnlymonte.com met als onderwerp 'verbrandingsafstelling' en details over uw cv-keteltype, brandermodel en huidige brandstofkosten.
