Zgorevanjelab.fs.uni-lj.si/kes/energetska_proizvodnja/ep... · 2011-12-12 · 4 Energetska proizvodnja Zgorevalni zrak Zrak za zgorevanje uporabljamo zato, ker vsebuje kisik. Zato

1 Energetska proizvodnja

Vsebina: ZGOREVANJE

- zgorevalne enačbe- produkti zgorevanja

UPORABA GORIV IN POSLEDICE ZA OKOLJE- produkti zgorevanja in škodljive emisije- metode zmanjševanja škodljivih emisij

Zgorevanje


Zgorevalne enačbe

Popolno zgorevanje ogljika:C + O2 = CO2 + 407,3 MJ/kmol1,0 kg C + 2,7 kg O2 = 3,7 kg CO2 + 33,9 MJ/kg

Nepopolno zgorevanje ogljika:C + ½ O2 = CO + 117,7 MJ/kmol1,0 kg C + 1,33 kg O2 = 2,33 kg CO + 9,8 MJ/kg

Zgorevanje vodika:H2 + ½ O2 = H2O (para) + 241,9 MJ/kmol1,0 kg H2 + 8,0 kg ½ O2 = 9,0 kg H2O + 121,0 MJ/kg

Zgorevanje žvepla:S + O2 = SO2 + 296,7 MJ/kmol1,0 kg S + 1,0 kg O2 = 2,0 kg SO2 + 9,3 MJ/kg

Stehiometrične enačbe za popis procesa zgorevanja

Produkti popolnega zgorevanja so: CO2, H2O in (SO2)


Zgorevalne enačbe

Komponente dimnih plinov pri zgorevanju trdnih in kapljevitih gorivPri zgorevanju 1 kg goriva nastane: CO2: mCO2 = 3,6641 wC kg/kg

H2O: mH2O = 8,937 wH + wV kg/kg, kjer je wV masni delež vode v gorivu

SO2: mSO2 = 1,9981 wS kg/kgkjer je w masni delež elementa v gorivu.

Komponente dimnih plinov pri zgorevanju plinastih goriv

CO2: VCO2 = (CO) + x (CXHY) + (CO2) m3/m3

tu je volumski delež komponente v kubičnem metru pri normalnem stanju.

H2O: VH2O = Vd,0,v - Vd,0,s m3/m3,

vsebnost vode v dimnih plinih iz plinastih goriv računamo posredno kot razliko med vlažnimi in suhimi dimni plini.


Zgorevalni zrak

Zrak za zgorevanje uporabljamo zato, ker vsebuje kisik. Zato potrebno količino zraka računamo na osnovi potrebne količine kisika, ki ga rabimo za oksidacijo vseh gorljivih komponent v gorivu.Pri stehiometričnih računih zgorevanja računamo z zrakom, ki je brez vlage in sestavljeniz 0,79 m3 /m3 dušika in 0,21 m3 /m3 kisika oziroma 0,77 kg / kg dušika in 0,23 kg/ kg kisika.

Teoretična minimalna količina kisika za zgorevanje VOmin [m3/kg] ali mOmin [kg/kg] je potrebna za zgoretje vseh gorljivih snovi v 1 kg goriva (v nastalih dimnih plinih ni kisika, v izgorkih ni gorljivih ostankov).

Teoretična minimalna količina zraka za zgorevanje:

VZmin = VOmin / 0,21 m3/kg ali mZmin = mOmin / 0,23 kg/kg

Zgorevalne enačbe


Razmernik in presežek zgorevalnega zraka

Dejanska količina zraka, ki ga rabimo pri zgorevanju je večja od teoretične. Koliko več zraka rabimo pri dejanskem procesu je določeno na osnovi izkušenj. Dejanska uporabljena količina zraka je za faktor večja od teoretično potrebne količine. Faktor imenujemo razmernik zraka.

VZ = VZmin in VZ / VZmin ali tudi = mZ / mZmin

Razlika med teoretično minimalno količino zgorevalnega zraka in v procesu zgorevanja dejansko uporabljeno količino zgorevalnega zraka za 1 kg goriva imenujemo presežek zraka:

VZ - VZmin = ( - 1) VZmin m3 / kg

Zgorevalne enačbe


Masa dimnih plinov

Med produkte zgorevanja štejemo pline, ki nastanejo pri zgorevanju. Pepel ne štejemomed produkte zgorevanja. Masa dimnih plinov je sestavljena iz mase goriva in mase, prizgorevanju uporabljenega zraka:

md = mg + mZ kg / kg

Masa dimnih plinov iz 1 kg gorljive mase (in zgorelega) goriva je masa zgorelega gorivain masa zraka, ki smo ga uporabili za zgorevanje:

md = 1 + mZ kg / kg

oziroma md = 1 + VZmin kg / kg

Masni tok dimnih plinov je vezan na masni tok uporabljenega goriva:

kg / s dgd mmm

Produkti zgorevanja


Teoretični volumni suhih in vlažnih dimnih plinov pri zgorevanju trdnih in kapljevitih goriv

Sestava teoretičnega volumna suhih dimnih plinov je določena z izrazom:

Vd,0,s = VCO2 + VSO2 + VN2 m3 /kgsuhe dimne pline pri teoretični količini zgorevalnega zraka sestavljajo ogljikov dioksid,žveplov dioksid (kadar imamo v gorivu žveplo) in dušik.

Volumen dušika sestavljata dušik iz goriva in dušik iz zraka:VN2 = 0,7997 wN2 + 0,79 VZmin m3 /kg

Teoretični volumen vlažnih dimnih plinov:

Vd,0,v = Vd,0,s + VH2O m3 /kg

inVd,0,v = VCO2 + VSO2 + VN2 + VH2O m3 /kg

Produkti zgorevanja


Produkti zgorevanja

Dejanski volumni suhih in vlažnih dimnih plinov pri zgorevanju trdnih in kapljevitih goriv

Sestava dejanskega volumna suhih dimnih plinov je določena z izrazom:

Vd,s = Vd,0,s + (VZmin = VCO2 + VSO2 + VN2 + (VZmin m3 /kg ter

sestava dejanskega volumna vlažnih dimnih plinov:Vd,v = Vd,s + VH2O m3 /kg

inVd,v = VCO2 + VSO2 + VN2 + (VZmin + VH2O m3 /kg

Pri zgorevanju plinastih goriv so zaradi sestave plinastih goriv stehiometrične enačbe zgorevanja nekoliko drugačne oblike.


CO2max je teoretična veličina, ki je pri dejanskem zgorevanju ne moremo doseči. Predstavlja najvišjo vrednost za volumski delež ogljikovega dioksida v dimnih plinih. Vrednost dobimo, če v teoretičnem volumnu suhih dimnih plinov določimo delež ogljikovegadioksida, ki je nastal pri popolnem zgorevanju kilograma goriva. Teoretični komponenti tega izračuna sta dve, prva je teoretična količina zgorevalnega zraka, druga pa teoretična količina suhih dimnih plinov. Veličino rabimo pri različnih analizah, predvsem pa pri kontroli kvalitete zgorevanja.

CO2max

%100.COsd,0,

COmax2

2

VV

CO2max [ % ] za nekatera goriva:

lignit - 18,5 do 19,5rjavi premog - 18,5 do 19,7koks - 20,5les - 20,5kurilna olja - 16,0 do 17,0mazut - 16,0 do 17,0zemeljski plin - 11,0 do 13,0

Produkti zgorevanja

CCO 856,12

wV

Kjer je:


ZGOREVALNA TOPLOTA IN KURILNOST

Zgorevalna toplota HS ali zgornja kurilnost (superior), je vsa toplota, ki se sprosti pri zgoretju 1 kg goriva. Je enaka razliki entalpij udeleženih snovi pred zgorevanjem in po njem. Navaja se na maso goriva v kJ/kg.

Kurilnost goriva Hi ali spodnja kurilnost (inferior), je tisti del zgorevalne toplote, ki jo dobimo če ne izkoristimo uparjalne (kondenzacijske) toplote vodne pare v dimnih plinih. Uporablja se v praktični rabi.

Zgorevalna toplota in kurilnost sta povezani z izrazom:

Pri normalnem stanju, 0 ºC in 1013 mbar je uparjalna/kondenzacijska toplota vode 2499 kJ/kg. wH2O (kg/kg) je masni delež vodne pare v dimnih plinih.

Hs = Hi + 2499 wH2O kJ/kg

Zgorevalna toplota in kurilnost

Kurilnost trdnih in kapljevitih goriv lahko ocenimo iz sestave goriva:


V praksi izkoriščamo kurilnost goriv in ne zgorevalno toploto.

Določevanje kurilnosti goriv z izračunavanjem je le približno, točne vrednosti dobimo z meritvami v kalorimetru.


V toplotnih napravah izkoriščamo spodnjo kurilnost goriva in ne povzročamo kondenzacije vodne pare v dimnih plinih. Kondenzirana vodna para bi reagirala s SO2, dobili bi žveplasto (H2SO3) in žvepleno kislino (H2SO4). Po drugi strani pa se obe kislini že nahajata v dimnih plinih v uparjeni obliki in bi pri temperaturah nižjih od cca.120 ºC lahko kondenzirali na hladnih stenah naprav. Kislini sta v kapljevitem stanju, razredčeni z vodo, močno korozivni in povzročata nizkotemperaturno korozijo in s tem poškodbe naprav.

Temperature kondenzacije žveplene kisline v dimnih plinih iz kurilnega olja v odvisnosti od vsebnosti žvepla v gorivu in količine zgorevalnega zraka.


~20Ostali plini

46Tekoči naftni plin

~50Zemeljski plin

39-41Mazut

~42Tekoča goriva

9-13Lignit

15-21Rjavi premog

27-30Črni premog

~29Koks

~31Antracit

Kurilnost HiMJ/kg

Gorivo

Kurilnosti nekaterih vrst goriv



kgkJ

22222222 ZZOHOHNNSOSOCOCOd hVhVhVhVhVH

kgkJ

, dvdd hmH

Pri zgorevanju sproščena toplota se prenaša na dimne pline in povečuje njihovokalorično notranjo energijo in temperaturo. Dimni plini tako postanejo vir toplote.Toploto, ki jo lahko odvzamemo dimnim plinom določimo z entalpijo dimnihplinov, ki nastanejo iz enega kilograma goriva - Hd [kJ/kg]:

kgkJ

, dvdd hVH ali pa

V levi enačbi je specifična entalpija dimnih plinov hd (enota kJ na m3 dimnih plinov), volumen dimnih plinov je Vd,v (enota m3 na kg goriva) ki nastanejo iz kilograma goriva. Desna enačba izraža entalpijo istih dimnih plinov v drugih enotah - kg/kg.Entalpijo dimnih plinov, ki nastanejo iz 1 kg goriva pa lahko računamo tudi kot:

V zgornji enačbi lahko namesto volumskih deležev komponent dimnih plinov vzamemomasne deleže in seveda pripadajoče specifične entalpije na kilogram komponente:

kgkJ

22222222 ZZOHOHNNSOSOCOCOd hmhmhmhmhmH

Razpoložljiva toplota dimnih plinov


dd th

Hd – td diagram za dimne pline

Grafična rešitev enačbe za entalpijo dimnih plinov je tako imenovani Hd – td diagram:

V diagramu so prikazane vrednosti entalpij v temperaturnem intervalu od 0 ºC do 2000 ºC in za razmernike zraka od λ = 1 do λ = 2.

Razpoložljiva toplota dimnih plinov


V enačbi so:- masa dejanskih dimnih plinov, ki so nastali iz 1 kg zgorelega goriva,- srednja specifična toplota dimnih plinov med temperaturo oklice in teoretično temp. zgorevanja,- spodnja kurilnost goriva,- temperatura okolice

Co

md,p,vd,

iteor ot

t

tcm

Htt

o

iH

Temperature dimnih plinov v plamenu so različne in odvisne od sproščene toplote, sestavein mase dimnih plinov ter od toplote, ki se s sevanjem prenaša v okolico plamena. Pri danihpogojih zgorevanja dosežemo najvišjo možno temperaturo (teoretično) kadar proces poteka adiabatno in se vsa sproščena toplota prenese le na dimne pline. Teoretično temperaturo zgorevanja računamo po izrazu:

0t

md,p,cvd,m

Dejanska temperatura plamena je, zaradi toplotnega toka, ki ga plamen izseva (odda) že med gorenjem v svojo okolico, ustrezno nižja.

Teoretična temperatura zgorevanja


Uporaba goriv in posledice na okolju

Snovi iz produktov zgorevanja fosilnih goriv, ki neposredno škodljivo vplivajo na živa bitja in rastline:

• žveplove spojine,• težke kovine,• dušikovi oksidi,• ogljikov monoksid,• nekatere spojine C-H-N (organske spojine, PAH, dioxini, furani,...)• trdni delci saj in pepela.




Škodljive emisije, ki nastajajo pri zgorevanju fosilnih goriv so posledica njihove sestave. – premog:

• trdni delci pepela in saj• žveplovi oksidi in žveplove kisline• ogljikov monoksid• dušikovi oksidi• ogljikov dioksid

– kapljevita goriva• trdni delci saj• žveplovi oksidi in žveplove kisline• dušikovi oksidi• ogljikov monoksid (manj – boljše zgorevanje)• ogljikov dioksid (manj – manjši delež ogljika v gorivu)

– zemeljski plin:• dušikovi oksidi• ogljikov monoksid (manj – boljše zgorevanje)• ogljikov dioksid


Plini, povzročitelji pojava tople grede

126141850Prispevek k povzročanju pojava tople grede

200150do 200 000301Efekt v primerjavi s CO2

20,4610,5Povprečno letno povečanje %

ozon

O3

dušikovioksidi

NOX

freoni,haloni

(F11,F12,..)SF6

metan

CH4

ogljikovdioksid

CO2


Energetska proizvodnja

Izračun masnih deležev CO2 pri zgorevanju *

Za določitev mase ogljikovega dioksida, ki se sprosti pri zgoretju 1 kg goriva moramopoznati kemično sestavo obravnavanega goriva. Podatek, ki nas zanima je masni delež ogljika v gorivu wC. Postopek računanja je potem:

reakcija je: C + O2 → CO2masna bilanca reakcije: 1 kg C + 2,664 kg O2 = 3,664 kg CO2stehiometrična enačba: mCO2 = 3,664 wC [kg / kg]

Primer: Masni delež ogljika v Velenjskem lignitu je 28,5 %, zato iz 1 kg lignita dobimo1,04 kg emisije CO2 oziroma iz 1 t premoga 1,04 t CO2.

*več o gorivih in zgorevanju v: A.Senegačnik, J.Oman, Lastnosti zraka, goriv in dimnih plinov, UL, FS, 2004 aliJ.Oman, A.Senegačnik, A.Mirandola; Air, Fuels and Flue Gases, Progetto, Padova, 2006.



Zmanjševanje škodljivih emisij pri uporabi fosilnih goriv

– sprememba goriva• prehod na ekološko bolj sprejemljiva goriva pri obstoječih napravah

– zmanjšanje porabe goriv• izboljševanje energijske učinkovitosti priprave končne energije

izboljševanje tehnologij, nove tehnologije• zmanjševanje porabe končne energije (varčevanje z energijo)

– odstranjevanje škodljivih emisij• trdni delci (prah, pepel, saje) – uporaba filtrov, elektrofilter, vrečasti filter

– kemično vezanje v neškodljive obstojne spojine• strupene in korozivne komponente v dimnih plinih

– žveplovi oksidi (redukcija SO2)– dušikovi oksidi

Zmanjševanje škodljivih emisij

Documents

Zgorevanjelab.fs.uni-lj.si/kes/energetska_proizvodnja/ep... · 2011-12-12 · 4 Energetska proizvodnja Zgorevalni zrak Zrak za zgorevanje uporabljamo zato, ker vsebuje kisik. Zato