Tüzeléstan előadás Dr. Palotás Árpád Bence

Átírás

1 Égéselméleti számítások Tüzeléstan előadás Dr. Palotás Árpád Bence

2 Miskolci Egyetem - Tüzeléstani és Hőenergia Tanszék 2 Tüzelőanyagok Definíció Energiaforrás, melyből oxidálószer jelenlétében, exoterm kémiai folyamatok révén (hő)energia szabadítható fel Osztályozás eredet szerint Fosszilis: szenek, kőolaj, földgáz, kohógáz, kokszkemencegáz, szintézisgáz Megújuló: biomassza (fű, fa, virág ), biodízel, biogáz, stb. halmazállapot szerint szilárd: szenek, fa, energiafű, kommunális hulladék, stb. folyékony: fűtőolaj, biodízel, foly. szénhidrogének, vegyipari hulladékok, szennyvíz, stb. gáznemű: földgáz, szénhidrogének, hidrogén, vegyipari melléktermékek, biogázok, stb. Összetétel éghető, égést tápláló és nem éghető komponensek

3 Miskolci Egyetem - Tüzeléstani és Hőenergia Tanszék 3 Égéselméleti alapparaméterek Számítandók égéshő, fűtőérték fajlagos oxigén szükséglet fajlagos levegő szükséglet elméleti és gyakorlati fajlagos füstgáztérfogat száraz és nedves Füstgázösszetétel technológia, emisszió füstgáz sűrűség füstjáratok, kémények méretezése A számítás módja halmazállapot szerint szilárd és folyékony: tömegegységre vonatkoztatva gáznemű: térfogategységre vonatkozik

4 Miskolci Egyetem - Tüzeléstani és Hőenergia Tanszék 4 Szilárd halmazállapotú tüzelőanyagok Szenek, fa, energiafű, kommunális hulladék, stb. Kémiai összetétel Éghető komponensek: C, H, S Égést tápláló komponens: O Nem éghetők: N *, hamu (SiO 2, CaO, stb.), H 2 0 *NO x (NO, NO 2 ) ppm nagyságrend Mindig van hamutartalom (veszélyes?) C H N S O H 2 O hamu H u Fa 30-40% 4-6% <1% <0,2% 25-30% 25-50% 0-3% MJ/kg Energiafű 40-45% 4-6% <0,5% <0,1% 30-35% 5-10% 5-8% MJ/kg Papír 40-45% 4-6% <0,2% <0,1% 38-40% 3-5% 12-15% MJ/kg Hulladék 20-30% <4% <5% <1% <20% <10% <50% MJ/kg Lignit <25% 2-4% <1% <2% <30% <50% <25% 5-8 MJ/kg Barnaszén <55% 2-4% <2% <2% <10% <30% <20% MJ/kg Feketeszén <80% 2-4% <2% <1% <5% <10% <10% MJ/kg százalékos adatok tömeg %-ban

5 Miskolci Egyetem - Tüzeléstani és Hőenergia Tanszék 5 Folyékony halmazállapotú tüzelőanyagok Fűtőolaj, biodízel, foly. szénhidrogének, vegyipari hulladékok, szennyvíz, stb. Összetétel: hasonlítható a szenekhez Hamutartalom: általában <0,5% vanádium: V 2 O 5 C H N S O Hamu H u Tüzelőolaj 80-90% 10-15% <0,5% <3% <0,5% <0,5% 40 MJ/kg Gázolaj 85-88% 11-18% <0,5% <0,3% <0,1% <0,1% 42 MJ/kg Szintetikus olaj 85-90% 8-13% <2% <0,5% <0,1% <1% 40 MJ/kg Biodízel 75-80% 10-14% <1% <0,2% <10% <0,1% 38 MJ/kg százalékos adatok tömeg %-ban A számítások mindenben megegyeznek a szilárd tüzelőanyagra vonatkozókkal

6 Miskolci Egyetem - Tüzeléstani és Hőenergia Tanszék 6 Gáznemű tüzelőanyagok Leggyakoribb tüzelőanyag a földgáz (Mo.) fő éghető komponensek: CH 4, C 2 H 6, további fontos komponensek: CO, H 2 S, H 2 Gyakoribb fűtőgázok CH 4 C 2 H 6 C 3 H 8 C n H m H 2 CO CO 2 N 2 H u Földgáz* 88-95% 3-4% <2% <2% <5% <5% 35 MJ/m 3 PB 70% 30% 77 MJ/m 3 Hidrogén 100% 11 MJ/m 3 Kamragáz 20-25% 1% <2% 60-65% 5-8% <3% 5-10% 18 MJ/m 3 Kohógáz 1-4% 20-25% <15% 60% 3-5 MJ/m 3 Szintézisgáz 25-40% <65% <5% MJ/m 3 Biogáz 60-70% 1-2% <0,5% MJ/m 3 százalékos adatok térfogat %-ban

7 Miskolci Egyetem - Tüzeléstani és Hőenergia Tanszék 7 Fűtőérték számítás Égéshő (H o HHV) az a hőmennyiség, amely a minta tömegegységének tökéletes elégetésekor szabadul fel, ha annak hőmérséklete az elégetés előtt, valamint a keletkezett égéstermékek hőmérséklete az elégetés után egyaránt 20 C, az elégetéskor keletkező (tüzelőanyag nedvességét is tartalmazó) víz az elégetés után folyékony halmazállapotú; Fűtőérték (H u LHV) ebben az esetben a tüzelőanyag eredeti nedvessége + az égés következtében keletkező víz gőzként távozik a rendszerből. Számítható az égéshő, a nedvesség és a hidrogéntartalom adataiból: H u = H o 24,493 (9 H + W t ) Számítható az egyes komponensek fűtőértékéből is (száraz tüzelőanyagra) H u = 0,01 Σ i H u,i ahol 0 < i < 100

8 Szilárd folyékony gáz égésegyenletek Szilárd és folyékony C + O 2 = CO 2 S + O 2 = SO 2 2 H+ 0,5 O 2 = H O = O 2 2 N = N 2 Gáz halmazállapot CH O 2 = CO H 2 0 C 2 H 6 + 3,5 O 2 = 2 CO H 2 0 C 3 H O 2 = 3 CO H 2 0 C 4 H ,5 O 2 = 4 CO H C n H m + (n+m/4) O 2 = n CO 2 + m/2 H 2 0 H 2 S + 1,5 O 2 = SO 2 + H 2 0 H 2 + 0,5 O 2 = H 2 0 CO + 0,5 O 2 = CO 2 CO 2 = CO 2 Az egyenleteket mindig érdemes felírni! N 2 = N 2 Miskolci Egyetem - Tüzeléstani és Hőenergia Tanszék 8

9 Miskolci Egyetem - Tüzeléstani és Hőenergia Tanszék 9 Számítások - szilárd halmazállapot I. Oxigén-szükséglet V O2 = ( 1,86 C + 0,7 S + 5,7 H - 0,7 O ) / 100 [m 3 /kg] Miből jön ez ki? C + O 2 = CO 2 S + O 2 = SO 2 2H + 0,5 O 2 = H 2 0 2O = O 2 2N = N 2 Levegő-szükséglet (normál oxigén tartalom esetén) V lev, elm = 4,76 V O2 V lev, gyak = n V lev,elm [m 3 /kg] [m 3 /kg] Levegőtényező tökéletlen keveredés miatt szükséges a tökéletes kiégéshez növeli a füstgáz térfogatot csökkenti a lánghőmérsékletet rontja a hatásfokot

10 Miskolci Egyetem - Tüzeléstani és Hőenergia Tanszék 10 Számítások - szilárd halmazállapot II. Füstgáz térfogat V fsg, nedv = (1,86 C + 0,7 S + 11,2 H + + 0,8 N + 1,24 H 2 O + + V lev,gyak V O2 ) / 100 [m 3 /kg] Száraz / nedves füstgáz V fsg,sz = V fsg,nedv V H2O Miért? Minden együttható változatlan? [m 3 /kg] C + O 2 = CO 2 S + O 2 = SO 2 2H + 0,5 O 2 = H 2 0 2O = O 2 2N = N 2 Nem hiányzik innen valami?

11 Miskolci Egyetem - Tüzeléstani és Hőenergia Tanszék 11 Számítások - szilárd halmazállapot III. Füstgáz összetétel CO 2 = 1,86 C / V fsg,nedv [%] SO 2 = 0,7 S / V fsg,nedv [%] H 2 O = (11,2 H + 1,24 H 2 O) / V fsg,nedv [%] O 2 = 100 (n 1) V O2 / V fsg,nedv [%] N 2 = (0,8 N (V lev,gyak - V O2 )) / V fsg,nedv [%] A komponensek összege 100%! C + O 2 = CO 2 S + O 2 = SO 2 2H + 0,5 O 2 = H 2 0 2O = O 2 2N = N 2 Száraz füstgáz esetén a H 2 O -val nem számolunk és az arányokat a V fsg,sz -ra vetítjük!

12 Miskolci Egyetem - Tüzeléstani és Hőenergia Tanszék 12 Számítások - szilárd halmazállapot IV. Füstgáz sűrűség r fsg = M fsg /V fsg [kg/m 3 ] C + O 2 = CO 2 S + O 2 = SO 2 2H + 0,5 O 2 = H 2 0 2O = O 2 2N = N 2 Hogyan számítható a keverék tömege és térfogata? Miért van erre egyáltalán szükség? Hova szereljük a CO detektort? Folyadék halmazállapot Minden számítás változatlan

13 Miskolci Egyetem - Tüzeléstani és Hőenergia Tanszék 13 Számítások gáz halmazállapot I. Oxigén-szükséglet Miből jön ez ki? V O2 = ( 2 CH 4 + 3,5 C 2 H C 3 H ,5 C 4 H 10 + (n+m/4) C n H m + + 1,5 H 2 S + 0,5 H 2 + 0,5 CO) / 100 [m 3 /m 3 ] CH O 2 = CO H 2 0 C 2 H 6 + 3,5 O 2 = 2 CO H 2 0 C 3 H O 2 = 3 CO H 2 O C 4 H ,5 O 2 = 4 CO H 2 0 C n H m + (n+m/4) O 2 = n CO 2 + m/2 H 2 0 H 2 S + 1,5 O 2 = SO 2 + H 2 0 H 2 + 0,5 O 2 = H 2 0 CO + 0,5 O 2 = CO 2 CO 2 = CO 2 N 2 = N 2 Levegő-szükséglet (normál oxigén tartalom esetén) V lev, elm = 4,76 V O2 [m 3 /m 3 ] V lev, gyak = n V lev,elm [m 3 /m 3 ]

14 Miskolci Egyetem - Tüzeléstani és Hőenergia Tanszék 14 Számítások gáz halmazállapot II. Füstgáz térfogat Miért? V fsg,nedv = (3 CH C 2 H C 3 H C 4 H 10 + (n+m/4) C n H m H 2 S + H 2 + CO + + CO 2 + N 2 + H 2 O + + V lev,gyak V O2 ) / 100 [m 3 /m 3 ] CH O 2 = CO H 2 0 C 2 H 6 + 3,5 O 2 = 2 CO H 2 0 C 3 H O 2 = 3 CO H 2 O C 4 H ,5 O 2 = 4 CO H 2 0 C n H m + (n+m/4) O 2 = n CO 2 + m/2 H 2 0 H 2 S + 1,5 O 2 = SO 2 + H 2 0 H 2 + 0,5 O 2 = H 2 0 CO + 0,5 O 2 = CO 2 CO 2 = CO 2 N 2 = N 2 V fsg,sz = (CH C 2 H C 3 H C 4 H 10 + n C n H m + H 2 S + CO + + CO 2 + N V lev,gyak V O2 )/100 [m 3 /m 3 ]

15 Miskolci Egyetem - Tüzeléstani és Hőenergia Tanszék 15 Számítások gáz halmazállapot III. Nedves füstgáz összetétel CO 2 = (CH C 2 H C 3 H C 4 H n C n H m + CO + CO 2 ) / V fsg,nedv [%] H 2 O =(2 CH C 2 H C 3 H C 4 H m/2 C n H m + H 2 S + H 2 +H 2 O) / V fsg,nedv [%] CH O 2 = CO H 2 0 C 2 H 6 + 3,5 O 2 = 2 CO H 2 0 C 3 H O 2 = 3 CO H 2 O C 4 H ,5 O 2 = 4 CO H 2 0 C n H m + (n+m/4) O 2 = n CO 2 + m/2 H 2 0 H 2 S + 1,5 O 2 = SO 2 + H 2 0 H 2 + 0,5 O 2 = H 2 0 CO + 0,5 O 2 = CO 2 CO 2 = CO 2 N 2 = N 2 SO 2 = H 2 S / V fsg,nedv [%] O 2 = 100 (n - 1) V O2 / V fsg,nedv [%] N 2 = (N (V lev,gyak - V O2 ))/V fsg,nedv [%]

16 Folyt. köv. Miskolci Egyetem - Tüzeléstani és Hőenergia Tanszék 16