Goriva in zgorevanje - University of Ljubljanalab.fs.uni-lj.si/kes/goriva_in_zgorevanje/gz-v02...Goriva in zgorevanje - vaje Zgorevanje 6 študijsko leto: 2018/2019 2. 1 Reakcije Pri

1 študijsko leto: 2018/2019

Univerza v Ljubljani Fakulteta za strojništvo

Katedra za energetsko strojništvo Laboratorij za termoenergetiko

Goriva in zgorevanje Navodila za vaje

Boštjan Drobnič

avgust, 2019


1. Goriva 3

2. Zgorevanje 5

2. 1 Reakcije 6

2. 2 Kisik in zgorevalni zrak 6

2. 3 Produkti zgorevanja 6

2. 4 Kurilnost in zgorevalna toplota goriva 8

2. 5 Ogljikov dioksid 8

2. 6 Naloga 9

3. Modeliranje kurišča in mlina za premog parnega kotla na premogov prah v programu

IPSEpro 10

3. 1 Kurišče 10

3. 1. 1 Naloga 11

3. 1. 2 Postopek 11

3. 2 Mlin za premog 13

3. 2. 1 Naloga 14

3. 2. 2 Postopek 14

3. 3 Mlin in kurišče z recirkulacijo vročih in hladnih dimnih plinov 15

3. 3. 1 Naloga 15

4. Standardne tvorbene entalpije - kurilnost goriv 16

5. Določevanje kurilnosti goriv s kalorimetrom 17

5. 1 Opis vaje 17

5. 2 Izvedba vaje 18

5. 3 Primer meritve 21

6. Eksergijska vrednost goriva 22

7. Ravnotežje kemijske reakcije 24

8. Disociacija 27

8. 1 Izobarna disociacija CO2 27

8. 2 Izohorna disociacija O2 27

8. 3 Le Chatelierjev princip 27

9. Teoretična temperatura zgorevanja 28

10. Pridobivanje vodika s parnim reformingom metana 29

10. 1 Preračun parnega reforminga 29

10. 2 Pretvorba ogljikovega monoksida 29

10. 3 Naloge: 30

10. 4 Industrijsko pridobivanje vodika iz metana 31

Goriva in zgorevanje - vaje

Goriva


1. Goriva

Gorivoa imenujemo snovi, ki shranjujejo potencialno energijo v obliki, ki jo je moč sprostiti in

praktično uporabiti v obliki toplotne energije. Pojem je bil prvotno uporabljen samo za tiste

materiale, kjer je bila energija shranjena v obliki kemične energije, ki se sprosti v procesu

zgorevanja, danes pa pomeni tudi druge vire toplote, kot je jedrska energija, ali sproščanje

energije z oksidacijo brez zgorevanja (celična biologija, gorivne celice).

Toploto, sproščeno pri iz goriv, lahko porabimo neposredno kot toploto za ogrevanje, kuhanje

ali v industrijskih procesih, možno je izkoristiti tudi svetlobo, ki prav tako nastaja pri

zgorevanju, v praksi pa je pomembna tudi pretvorba toplote v mehansko energijo v različnih

pogonskih strojih. Goriva so uporabna tudi v celicah organizmov v postopku celičnega dihanja,

kjer organske molekule oksidirajo, pri tem pa se sprošča energija. Ogljikovodiki so daleč

najpogostejši sestavni del goriv, ki jih uporabljajo ljudje, sicer pa je kot goriva možno uporabiti

tudi druge snovi, npr. radioaktivne kovine.

Zaradi vmesne stopnje sproščanja toplote se goriva razlikujejo od drugih metod shranjevanja

potencialne energije, kjer se neposredno sprosti električna energija (baterije, kondenzatorji)

ali mehanska energija (vztrajniki, vzmeti, stisnjen zrak).

Zaradi izrednega pomena na gospodarskih in družbenih področjih, ki ga predstavljajo fosilna

goriva, bomo pojem goriv skrčili samo na slednje. Pri njihovi uporabi je torej glavni proizvod

toplota, ki se sprošča iz goriv pri procesu zgorevanja. To je eksotermna kemična reakcija

gorljivih snovi in kisika (oksidacija), pri čemer se v toploto pretvarja kemična energija gorljivih

snovi. Snovi, ki jih izkoriščamo preko procesa zgorevanja, bomo imenovali goriva, čeprav v

splošnem niso sestavljena izključno iz gorljivih snovi. Glede na agregatno stanje goriva

razdelimo na trdna, kapljevita in plinasta. Med različnimi lastnostmi goriv je posebej

pomembna njihova sestava. V splošnem so (fosilna) goriva zmes različnih snovi (kemijskih

spojin) organskega in anorganskega izvora. Sestavo trdnih in kapljevitih opišemo z masnimi

deleži petih osnovnih elementov, ter vlage in pepela (mineralnih snovi) s t.i. elementno analizob.

Pri trdnih gorivih je v uporabi tudi kratka analizac goriva, kjer pa so podani samo deleži fiksnega

ogljika, hlapljivih snovi (volatilov), vlage in pepela. Sestava trdnih goriv je grafično ponazorjeno

na spodnji slikid.

Za trdna in kapljevita goriva masne deleže posameznih komponent, ki so izraženi v

kgkomponente/kggoriva, označimo z

- ogljik wC

- vodik wH

- žveplo wS

- kisik wO

- dušik wN

- vlaga wH2O

- pepel wp

a Povzeto po http://en.wikipedia.org/wiki/Fuel

b ang.: ulimate analysis, nem.: Elementaranalyse

c ang.: proximate analysis, nem.: Immediatanalyse

d Oman, J.: Generatorji toplote, Ljubljana: Fakulteta za strojništvo, 2005 (Ljubljana)


Goriva


Tudi plinasta goriva so v splošnem sestavljena iz podobnih elementov, vendar njihovo sestavo

običajno podamo z volumskimi (molskimi) deleži posameznih plinov v zmesi, ki predstavlja

gorivo. V splošnem so to

- ogljikovodiki, CmHn,

- vodik, H2,

- ogljikov monoksid, CO,

- kisik, O2,

- dušik, N2,

- ogljikov dioksid, CO2,

Deleži so v tem primeru izraženi v 3 3gorivokomponentam m . Ker se prostornina plinov spreminja s

tlakom in temperaturo, so vrednosti vedno podane pri normalnih pogojih (273,15 K = 0 °C in

1,01325 bar = 1 atm). Pri sestavi to sicer ni bistveno, ker se volumska razmerja pri spremembi

temperature in/ali tlaka ne spremenijo, pomembno pa je pri nekaterih drugih veličinah, ki

pridejo v poštev pri izračunih zgorevanja.

Prostornino 1 m3 pri normalnih pogojih skrajšano imenujemo tudi normalni kubični meter

(Nm3). Ta predstavlja maso plina, ki pri normalnih pogojih zavzema prostornino 1 m3. Masa je

številčno enaka gostoti plina pri normalnih pogojih in ostaja enaka tudi pri vseh drugih pogojih,

medtem ko se dejanska prostornina spreminja.

Rezultati analize trdnih goriv (premoga) so lahko podani v treh oblikah:

- dostavljeno stanje (delovna masa goriva)

- stanje brez vlage (suha masa goriva)

- stanje brez vlage in pepela (gorljiva masa)


Zgorevanje


2. Zgorevanje

Zgorevanje je eksotermna kemična reakcija gorljivih snovi in kisika (oksidacija), pri čemer se v

toploto pretvarja kemična energija gorljivih snovi – goriv.

Poleg goriva mora biti pri zgorevanju nujno prisoten tudi kisik, ki ga večinoma pridobimo kar

iz zraka. Pri poenostavljeni obravnavi zgorevanja lahko v procesu zgorevanja upoštevamo zrak

kot mešanico kisika (O2) in dušika (N2), pri čemer lahko predpostavimo konstantno razmerje

med obema sestavinama.

kisik dušik masni delež 0,23 0,77

volumski delež 0,21 0,79

Produkt zgorevanja je sproščena toplota, ki jo lahko koristno uporabimo za različne namene, in

mešanica plinov (dimni plini), ki nosijo sproščeno toploto.


Zgorevanje


2. 1 Reakcije

Pri zgorevanju poteka vrsta reakcij, ki pa jih poenostavljeno zapišemo v obliki treh eksotermnih

kemijskih reakcij.

A B C

C + O2 = CO2 1 kg C + 2,6641 kg O2 → 3,6641 kg CO2 + 33.915 kJ

4H + O2 = H2O 1 kg H2 + 7,9370 kg O2 → 8,9370 kg H2O + 141.800 kJ

S + O2 = SO2 1 kg S + 0,9981 kg O2 → 1,9981 kg SO2 + 10.467 kJ

2. 2 Kisik in zgorevalni zrak

Za potek vseh treh osnovnih reakcij zgorevanja je potreben kisik. Količino kisika, potrebno za

popolno zgoretje vseh gorljivih elementov goriva (mO,min ali VO,min), lahko določimo na podlagi

zgornjih enačb (koeficienti v stolpcu A) in glede na znane količine gorljivih elementov v gorivu.

Kisik za zgorevanje običajno dobimo v zraku, kjer ga je konstantno 21 % (prostorninski delež)

oz. 23 % (masni delež). Glede na to lahko določimo tudi najmanjšo potrebno količino

zgorevalnega zraka (mZ,min ali VZ,min).

mO,min = 2,6641·wC + 7,9370·wH + 0,9981·wS – 1,00·wO kgO2/kgg

VO,min = 1,8643·wC + 5,5541·wH + 0,6984·wS – 0,6998·wO Nm3O2/kgg

O,,

0,23

minZ min

mm kgzr/kgg

O,,

0,21

minZ min

VV Nm3

zr/kgg

Dejansko zaradi zagotovitve večje verjetnosti popolnega zgorevanja dovedemo določeno

količino presežnega zraka. Razmerje med dejansko in najmanjšo potrebno količino zraka

imenujemo razmernik zraka (λ). Vrednosti razmernikov zraka so izkustvene in so od 1,05

(plinasta goriva) do 2 (trdna goriva), lahko pa tudi več. Razmernik zraka ne sme biti manjši od

1, sicer bo zgorevanje nepopolno.

2. 3 Produkti zgorevanja

Produkti zgorevanja (dimni plini) so mešanica plinov, sestavljena iz produktov osnovnih treh

reakcij zgorevanja ter dušika, ki ga v proces zgorevanja dovedemo večinoma z zrakom, deloma

pa tudi z gorivom, in kisika, ki ostane od presežnega zgorevalnega zraka. Pri poenostavljeni

analizi so torej dimni plini sestavljeni iz naslednjih plinov: ogljikov dioksid, CO2, voda, H2O, žveplov diokdid, SO2, dušik, N2 in kisik, O2.


Zgorevanje


Kisik in ustrezno količino dušika lahko obravnavamo tudi skupaj kot presežni zrak, ki sestavlja

dimne pline. V tem primeru so sestavine dimnih plinov

- ogljikov dioksid, CO2,

- voda, H2O,

- žveplov dioksid, SO2,

- dušik, N2 in

- zrak.

Količine posameznih plinov določimo glede na zgorevalne enačbe (koeficienti v stolpcu B) in

sestavo goriva.

mCO2 = 3,6641·wC VCO2 = 1,8563·wC

mH2O = 8,9370·wH + wH2O VH2O = 11,1191·wH + 1,2442·wH2O

mSO2 = 1,9981·wS VSO2 = 0,6817·wS

mN2 = wN + 0,77·λ·mZ,min VN2 = 0,7997·wN + 0,79·λ·VZ,min

mO2 = 0,23·(λ – 1)·mZ,min VO2 = 0,21·(λ – 1)·VZ,min

mN2teor = wN + 0,77·mZ,min VN2teor = 0,7997·wN + 0,79·VZ,min

mzr = (λ – 1) ·mZ,min Vzr = (λ – 1)· VZ,min

Poleg celotne količine nastalih dimnih plinov pri določenih izračunih upoštevamo tudi drugače

definirane količine dimnih plinov. Pri tem je treba biti pozoren na količino dušika – če

upoštevamo celotno količino N2, je dodatna komponenta dimnih plinov O2, če pa upoštevamo

samo teoretično količino N2, je dodatna komponenta zrak (mešanica N2 in O2 v masnem

razmerju 77:23)

Suhi dimni plini Vlažni dimni plini

Teoretična količina

md,0,s = mCO2 + mSO2 + mN2teor md,0,v = mCO2 + mSO2 + mN2teor + mH2O

Dejanska količina

md,s = mCO2 + mSO2 + mN2 + mO2 md,v = mCO2 + mSO2 + mN2 + mO2 + mH2O

ali ali

md,s = mCO2 + mSO2 + mN2teor + mzrak md,v = mCO2 + mSO2 + mN2teor + mzrak + mH2O

Količine kisika, zgorevalnega zraka in produktov zgorevanja so izračunane v kg/kggoriva, torej gre za

količine, ki so potrebne za zgorevanje 1 kg goriva, oziroma količine, ki nastanejo pri zgorevanju 1 kg

goriva. Za izračun dejanskih mas ali masnih tokov, moramo te vrednosti množiti še z maso ali masnim

tokom goriva (mg).


Zgorevanje


2. 4 Kurilnost in zgorevalna toplota goriva

Zgorevalna toplota (tudi zgornja kurilnost, Hs) goriva predstavlja vso toploto (MJ), ki se sprosti

pri popolnem zgorevanju 1 kg goriva. Enaka je razliki celotnih entalpij vseh produktov

zgorevanja in vseh snovi, ki so prisotne pred procesom (tudi, če ne reagirajo). Kurilnost ali

spodnja kurilnost goriv (Hi) pa je zgorevalna toplota zmanjšana za energijo, ki jo pri

kondenzaciji ob ohlajanju dimnih plinov odda voda, ki je njihov sestavni del. Spodnjo kurilnost

goriv z znano sestavo lahko tudi priblilžno izračunamo z uporabo empiričnih enačb (koeficienti

v stolpcu C), vendar lahko dejansko kurilnost goriva ugotovimo samo s poskusom.

OC H S H2O33,9· 121,4· 10,5· 2,5·

8i

wH w w w w

MJ/kg

Hs = Hi + 2,5·mH2O = Hi + 22,34·wH + 2,5·wH2O MJ/kg

2. 5 Ogljikov dioksid

Zaradi velikih količin, ki nastajajo pri zgorevanju predvsem trdnih in kapljevitih fosilnih goriv,

in zaradi negativnega vpliva na okolje, je količina ogljikovega dioksida (CO2) pomemben kriterij

za primerjavo ‘čistosti’ goriv in porabe energije iz fosilnih goriv.

Največji delež CO2 v dimnih plinih (φ(CO2)max) je količina ogljikovega dioksida, ki se sprosti pri

zgorevanju z najmanjšo potrebno količino zgorevalnega zraka (λ = 1). Pri večjih razmernikih

zraka se delež CO2 zmanjša na račun presežnega zraka v dimnih plinih. Pri manjših razmernikih

zraka pa prihaja do nepopolnega zgorevanja, v dimnih plinih se pojavi strupen ogljikov

monoksid (CO) in nezgoreli ostanki goriva.

CO22

,0,

COmax

d s

Vφ

V

CO2CO2

CO2

mV

ρ

CO2 SO2 N2,0, CO2 SO2 N2

CO2 SO2 N2

teord s teor

m m mV V V V

ρ ρ ρ

Upoštevamo normalne gostote plinov, ρCO2 = 1,9768 kg/m3, ρSO2 = 2,9265 kg/m3,

ρN2 = 1,2505 kg/m3.

Količina CO2 na enoto sproščene energije (mCO2) je parameter za primerjanje ‘čistosti’

pridobivanja energije iz različnih goriv. Goriva z visoko vsebnostjo ogljika glede na vodik

sproščajo večje količine CO2 kot goriva z nižjo vsebnostjo ogljika glede na vodik pri enaki

količini sproščene toplote.

CO2CO2ˆ

i

mm

H kgCO2/MJ


Zgorevanje


2. 6 Naloga

1. Za izbrano gorivo (glej tabelo spodaj) določi naslednje stehiometrične veličine:

a. spodnja in zgornja kurilnost goriva

b. najmanjša potrebna količina kisika in zgorevalnega zraka

c. najmanjša količina suhih in vlažnih dimnih plinov

d. največji delež CO2 v dimnih plinih

e. količino nastalega CO2 na enoto sproščene energije

2. Analiziraj vpliv razmernika zraka na sestavo dimnih plinov. Nariši diagram odvisnosti

deležev CO2, O2 in H2O v dimnih plinih od razmernika zraka (od 1 do 5).

3. Nariši diagram Hd-T za dimne pline za temperature od 0 do 2000 °C ter različne

razmernike zraka (od 1 do 2).

4. Določi teoretično temperaturo zgorevanja pri temperaturi zgorevalnega zraka 0 °C.

Prikaži odvisnost teoretične temperature zgorevanja od razmernika zraka (od 1 do 2).

5. Določi deleža gorljive in negorljive mase in njuno razmerje ter razmerje deležev ogljika in

vodika.

6. Glede na lastnosti premogov vseh skupin ugotovi, katera je značilna lastnost

obravnavanega premoga (upoštevaj tudi parametra pod točko 5.), in komentiraj, kako ta

lastnost vpliva na vrednosti dobljene pod točko 1.

V predstavitvi opiši namen naloge, lastnosti goriva, postopek izračunov (ni potrebno navajati

vseh stehiometričnih enačb) in rezultate. Diagrami naj bodo ustrezno opremljeni z oznakami,

legendo,... Dobljene rezultate komentiraj. Za pomoč pri izračunih in pripravi predstavitve

uporabi Zgorevanje, dimni plini, goriva (Drobnič, Oman, Senegačnik), Lastnosti zraka, goriv in

dimnih plinov (Senegačnik, Oman) in Air, fuels and flue gases (Oman, Senegačnik, Mirandola). Za nalogi 3. in 4. glej navodila in naloge iz Generatorjev toplote, poglavje 2.

Sestava wC wH wS wO wN wH2O wp

1 Velenje 0,285 0,023 0,015 0,11 0,007 0,38 0,18

2 Trbovlje 0,308 0,026 0,015 0,125 0,006 0,2 0,32

3 Češka 0,445 0,0343 0,011 0,0984 0,0066 0,3094 0,0953

4 Indonezija 0,5479 0,0391 0,001 0,139 0,0065 0,2595 0,007

5 Južna Afrika 0,659 0,036 0,006 0,073 0,016 0,074 0,136

6 Aljaska 0,4722 0,0358 0,0021 0,1563 0,0068 0,2374 0,0894

7 Avstralija 0,566 0,035 0,0035 0,0743 0,0122 0,069 0,24

8 Brazilija 0,6381 0,0427 0,0085 0,1529 0,012 0,105 0,0408

9 Francija 0,746 0,0486 0,0079 0,0942 0,0139 0,008 0,0813

10 Kitajska 0,6267 0,0386 0,0046 0,1034 0,0083 0,1713 0,0471

11 Koreja 0,6846 0,009 0,0209 0,0438 0,002 0,005 0,2348

12 Pakistan 0,443 0,045 0,003 0,287 0,005 0,139 0,078

13 Španija 0,3702 0,0275 0,0746 0,1139 0,0088 0,018 0,3869

Documents

Goriva in zgorevanje - University of Ljubljanalab.fs.uni-lj.si/kes/goriva_in_zgorevanje/gz-v02...Goriva in zgorevanje - vaje Zgorevanje 6 študijsko leto: 2018/2019 2. 1 Reakcije Pri