Transcript 7. Tüzeléstechnika - Kémiai és Környezeti Folyamatmérnöki

MŰSZAKI KÉMIA
ELŐADÁSOK GÉPÉSZMÉRNÖK HALLGATÓKNAK
7. Tüzeléstechnika
Dr. Bajnóczy Gábor
BME
Kémiai és Környezeti Folyamatmérnöki Tanszék
AZ ELŐADÁS ANYAGA, KÉPEK, RAJZOK
KIZÁRÓLAG OKTATÁSI CÉLRA,
KORLÁTOZOTT HOZZÁFÉRÉSSEL
HASZNÁLHATÓK !
INTERNETRE KORLÁTLAN HOZZÁFÉRÉSSEL
FELTENNI TILOS !
Tüzeléstechnikai alapfogalmak
Energianyerés egyik lehetősége: exoterm kémiai reakciók
Nagy mennyiségben viszonylag olcsón elérhető alapanyagok:
kőszén, kőolaj, földgáz, biomassza.
A levegő oxigénjével történő egyesítésükkor jelentős hő felszabadulás.
Az égéskor felszabaduló hőmennyiség egysége : Joule (J, kJ, MJ)
Az égés intenzitás faktora a hőmérséklet, egysége: Kelvin (K) vagy Celsius-fok (°C)
A tüzelőanyagok energiatartalmának mérőszáma az
ÉGÉSHŐ és a FŰTŐÉRTÉK
ÉGÉSHŐ
Az égéshő (kJ/kg vagy kJ/Nm3) az a hőmennyiség,
amely egységnyi tüzelőanyag tökéletes elégetésekor szabadul fel az alábbi
körülmények között:
- a tüzelőanyag és a levegő hőmérséklete az elégetés előtt és az égéstermékek
hőmérséklete az elégetés után egyaránt 20 °C,
- a tüzelőanyag széntartalma szén-dioxiddá a kéntartalma kén-dioxiddá ég el,
- a tüzelőanyag és a levegő eredeti nedvességtartalma és a hidrogén elégetéséből
származó víz az elégetés után 20 °C-on cseppfolyós halmazállapotú,
Fűtőérték
A fűtőérték (kJ/kg vagy kJ/Nm3) az a hőmennyiség,
amely egységnyi tüzelőanyag tökéletes elégetésekor szabadul fel az alábbi
körülmények között:
- a tüzelőanyag és a levegő hőmérséklete az elégetés előtt és az égéstermékek
hőmérséklete az elégetés után egyaránt 20 °C,
- a tüzelőanyag széntartalma szén-dioxiddá a kéntartalma kén-dioxiddá ég el,
- a tüzelőanyag és a levegő eredeti nedvességtartalma és a hidrogén elégetéséből
származó víz az elégetés után 20 °C-on gőz halmazállapotú,
ebben különbözik az égéshőtől
A hőmérséklet tekintetében vannak eltérések: 15,6 °C, 25 °C vagy 150 °C
Az égéshő és a fűtőérték viszonya
Az égéshő nagyobb vagy egyenlő a fűtőértéknél
Földgáz
égéshő
[kJ/kg]
fűtőérték
[kJ/kg]
43 000
39 500
CH4 + 2 O2 = CO2 + 2 H2O
A felszabaduló hőmennyiség
függ a képződő víz halmazállapotától.
A különbség a víz párolgáshőjéből
adódik
A kondenzációs kazánoknál 100 %-nál nagyobb hatásfokot is olvashatunk.
A referencia a fűtőérték, így egy veszteség nélküli gázkazán esetén:
Betáplált energia: 39500 kJ Hasznosított energia: 39500 kJ Hatásfok: 100 %
Veszteség nélküli kondenzációs gázkazán esetén azonban a vizet kondenzáltatjuk
és a kondenzációs hőt is hasznosítjuk.
Betáplált energia: 39500 kJ Hasznosított energia: 43000 kJ Elméleti hatásfok: 108,8 %
Az égéshő és a fűtőérték viszonya
Szén-monoxid
égéshő
[kJ/kg]
fűtőérték
[kJ/kg]
10 107
10 107
2 CO + O2 = CO2
Nem keletkezett víz
Égéshő = fűtőérték
Égéshő meghatározása méréssel
Szilárd anyag égéshőjének meghatározása
bombakaloriméterben
Gázok égéshőjének meghatározása
Junkers gázkaloriméterben
Égéshő és fűtőérték meghatározása számítással
Ismerni az alábbi laboratóriumi eredményeket:
- tüzelőanyag szén (C%),
- hidrogén (H%),
- kén (S%),
- oxigén (O%)
- víz (n%)
tartalmát.
szén égéshője [kJ/kg]
hidrogén égéshője [kJ/kg]
kén égéshője [kJ/kg]
33829 C% + 144277 (H% - 1/8 O%) + 10467 S%
____________________________________
Égéshő [kJ/kg] =
100
Hidrogén tartalom: éghető hidrogén és oxigénhez kötött nem éghető hidrogén pl: -OH
Éghető hidrogén- vagy diszponibilis hidrogén-tartalom = (H% - 1/8 O%)
nedvesség tartalom
Víz párolgáshője [kJ/kg]
Fűtőérték [kJ/kg] = Égéshő -
2500
(9H% + n%)
___________________
100
A számított érték közelítő jellegű !
Tüzelőanyagok fűtőértéke
Tüzelőanyagok fűtőértéke
Nagy oxigén- és víz tartalom,
kevés a diszponibilis hidrogén,
sok az –OH csoport
Nagyobb szén- és kevesebb
víztartalom
fa
Nincs hidrogén- csak
széntartalom
barnaszén
koksz
kőszén
A kokszhoz képest több hidrogén,
a barnaszénhez képest kevesebb víz
tüzelőolaj
folyékony gáz
0
10000 20000 30000 40000 50000
Jelentős hidrogéntartalom,
Nincs víz- és oxigéntartalom
fűtőérték [kJ/kg]
A tüzelőolajnál rövidebb szénláncok
miatt nagyobb a hidrogéntartalom
Tüzeléstechnikai fogalmak
Gyulladási hőmérséklet:
az a legalacsonyabb hőmérséklet, amelyen az anyagból felszabaduló gázok,
gőzök atmoszférikus nyomáson levegővel keveredve spontán meggyulladnak.
A tüzelőanyagok gyulladási hőmérsékletre való hevítése megfelel a távozó
gőzök, gázok és az oxigén közötti reakció aktiválási entalpiaszükségletének
Lobbanáspont:
az a legalacsonyabb hőmérséklet, amelynél meghatározott vizsgálati körülmények
között egy éghető folyadék olyan mennyiségű gázt vagy gőzt bocsát ki, hogy
egy gyújtóforrás hatására belobban.
Tüzeléstechnikai fogalmak
Éghetőségi, robbanási határok
Az anyag 20 °C-os és 1 bar nyomású levegővel alkotott térfogat %-ban kifejezett
összetétel határai, amely intervallumban az anyag – levegő elegy éghető illetve
robbanó képes .
A benzin alsó éghetőségi, robbanási határa 1,4 tf%
Ez azt jelenti, hogy az 1,4 tf%-nál kevesebb benzin gőzt tartalmazó levegő-benzin
elegy nem ég, nem robban.
A benzin felső éghetőségi, robbanási határa 7,6 tf%
Ez azt jelenti, hogy az 7,6 tf%-nál több benzin gőzt tartalmazó levegő-benzin
elegy nem ég, nem robban.
A fentiek alapján csak olyan benzin-levegő elegy gyújtható meg, vagy robbanó képes,
amelyben a benzingőz koncentrációja 1,4 – 7,6 tf%
Tüzeléstechnikai fogalmak
égés
Égési sebesség : 0,3-3 m/sec
robbanás
Égési sebesség : 1-3 km/sec
Tüzeléstechnikai fogalmak
Alsó és felső éghetőségi illetve robbanási intervallumok levegőben
Szélesebb intervallum jelentősebb robbanás veszély !
Tüzeléstechnikai fogalmak
Adiabatikus lánghőmérséklet T max
Tökéletes, veszteség nélküli égéskor elérhető maximális lánghőmérséklet.
T max ≈
Fűtőérték
_________________________
m1 * c1 + m2 * c2 + ... mn * cn
Füstgázalkotók tömege
Füstgázalkotók fajhői
Hidrogén égése levegőben. Adiabatikus lánghőmérséklet : 2210 °C
Hidrogén égése oxigénben. Adiabatikus lánghőmérséklet : 3200 °C
Nagyhőmérsékletű égés
A lánghőmérséklet lényegesen növelhető, ha a levegő nitrogénje nem
viszi el a felszabadult hőmennyiség jelentős részét
Termit reakció Fe2O3 + 2 Al = Fe + Al2O3
Páncéltörő gránát
Sínhegesztés
T ≈ 3000 °C
Az égés egyszerűsített folyamata
O2 = 2 O
O + H 2O = 2
OH●
Tüzeléstechnikai fogalmak
Diffúziós láng
A láng az égéshez szükséges oxigént csak
kívülről kapja. A láng belsejében képződő
izzó szénrészecskék világítanak.
Minden szilárd anyag diffúziós lánggal ég.
Előkevert láng
Az éghető gázt már az égőfej előtt
levegővel elegyítik. Az egyenletes oxigén
eloszlás miatt izzó szénrészecskék nem
képződnek.
Tüzeléstechnikai fogalmak
salak
Főleg szilárd tüzelés égési maradéka
Összetétel: SiO2 Fe2O3 Al2O3 CaO MgO K2O
salakéghető
A salak el nem égett tüzelőanyag tartalma
Salak lágyulás-, olvadáspontja
Lényeges paraméter a tüzelőszerkezet szempontjából. Az alacsonyan
hőmérsékleten olvadó salak rásülhet a rostélyra → üzemzavar
SiO2
Al2O3
savas alkotók
növelik az olvadáspontot
Kb. 1350 °C
Fe2O3
CaO MgO
K 2O
bázikus alkotók
Csökkentik az olvadáspontot
Kb. 1170 °C
Lágyszárú növények salakjában jelentős, olvadáspont: ≈ 850 °C
Tüzeléstechnikai fogalmak
Légfeleslegtényező (n)
A légfeleslegtényező a tüzeléstechnika egyik legfontosabb paramétere
Légfeleslegtényező (n) =
Légfeleslegtényező tartományai :
az
égéshez betáplált levegő mennyisége
________________________________
elméletileg szükséges levegő mennyisége
0 …………….. 1 ………………..
Oxigén hiányos égetés
Oxigén többlettel történő égetés
Elméletileg tökéletes égés,
gyakorlatilag oxigén hiányos
az elégtelen elegyedés miatt
Légfeleslegtényező meghatározása
Füstgáz elemzés adataiból:
- füstgáz oxigéntartalma O2 tf%
- füstgáz nitrogéntartalma N2 tf%
Mivel a füstgáz nitrogéntartalma nem különbözik jelentősen 79 tf %-tól, így
a képlet egyszerűbb formája ezzel a közelítéssel
21
__________
n = 21 – O %
2
oxigén érzékelő
Légfeleslegtényezők a tüzelőanyag függvényében
tüzelőanyag
légfeleslegtényező
Kőszén darabos
1,4 – 1,7
Barnaszén darabos
1,3 – 1,4
Szénpor
1,1 – 1,2
Porlasztott olaj
1,1 – 1,2
Gáz
1,1 – 1,2
rosszul elegyíthető levegővel
jobban gázosodik a kőszénnél
Az apró részecskék jól elegyíthetők levegővel
A levegővel való elegyedés molekuláris
szinten valósul meg
A légfeleslegtényező felesleges növelése rontja a hőhasznosítás hatásfokát.
Feleslegesen melegítjük fel az égéshez szükségtelen levegőt.
A légfeleslegtényező optimális beállítása energetikailag
és környezetvédelmi szempontból fontos.
Fatüzelésű és vegyes tüzelésű kályhák
Egy ajtós, felső leégetésű tűztér.
Cél, hogy ne melegedjen át gyorsan tüzelőanyag,
mert a felhevült fa gyorsan gázosodik.
A nagytömegű felszabadult éghető gáz
nem kap elég levegőt, tökéletlen lesz az égés
Fenyőfa csak gyújtósnak, mert gyorsan
gázosodik
Két ajtós, rostélyos tűztér.
Szén esetében megfelelő mennyiségű
levegőt kell biztosítani a tökéletes égéshez.
Légszennyező anyagok a légfeleslegtényező
függvényében (szén-monoxid)
n = 1 -nél minimum a tökéletes égés miatt, nem megy le nullára,
mert a CO2 magas hőmérsékleten disszociál CO-ra.
n < 1 -nél jelentős CO a kevés oxigén miatt
n > 1 -nél lassan nő a CO, mert a felesleges levegő hűti a lángot,
továbbá csökken a tartózkodási idő
A CO + ●OH = CO2 + H reakció idő és hőmérséklet függő
tartózkodási idő [sec] =
tűztér térfogat [m3]
__________________________
betáplált térfogatáram [m3/sec]
Légszennyező anyagok a légfeleslegtényező
függvényében (szénhidrogének, korom)
n = 1 -nél minimum a tökéletes égés miatt, nem megy le nullára,
mert a tűztér fala hidegebb, mint a belső tér, a kémiai
reakció lassabb.
n < 1 -nél jelentős maradék szénhidrogén a kevés oxigén miatt
n > 1 -nél újra növekszik, mert a felesleges levegő hűti a lángot,
továbbá csökken a tartózkodási idő, nincs idő a teljes
oxidációra
A szénhidrogének oxidációja közelítőleg két szakaszban
játszódik le:
- az első szakaszban leég a hidrogén
- a második szakaszban a szénrészecskék égnek el.
Légszennyező anyagok a légfeleslegtényező
függvényében (termikus nitrogén-monoxid)
n = 1 -nél maximum, mert itt a legmelegebb a láng.
A nitrogén és az oxigén egyesülése
nitrogén-monoxiddá endotherm reakció, azaz
hőigényes
n < 1 –nél a tökéletlen égés miatt alacsony a
lánghőmérséklet
n > 1 -nél a beáramoltatott többlet levegő hűti a lángot
Szilárd tüzelőanyagok tüzelőszerkezetei
Rostélyos tüzelőszerkezetek
http://www.kablitz.com/grate-systems.html
http://www.thefullwiki.org/Incineration
Számos változat: síkrostély, ferde rostély, lépcsős rostély, vándor rostély
A rostélyra nem szabad ráolvadni a hamunak, ezért ha kell a rostélyon belüli levegő, vagy
vízhűtést alkalmaznak pl. biomassza égetésnél
Szilárd tüzelőanyagok tüzelőszerkezetei
nagyhőmérsékletű tér, a tartózkodási idő
növelése céljából
durva porleválasztó
hőcserélő
tüzelőanyag
vándorrostély
salak eltávolítás
Szilárd tüzelőanyagok tüzelőszerkezetei
Rostély nélküli tüzelőszerkezetek
Azonos méretű
tüzelőanyag darabok
Távozó füstgáz
levegőbefúvás
A jó hőátadás miatt viszonylag alacsony a lánghőmérséklet.
Cseppfolyós tüzelőanyagok tüzelőszerkezetei
Elgázosító égők
Nem kokszosodó tüzelőolajok elégetésére,
pl.: régi olajkályhák
Porlasztós égők
Porlasztásos olajégő
Olajégő lángja (enyhén sárga)
Gázhalmazállapotú tüzelőanyagok
tüzelőszerkezetei
Speciálisan kialakított égőfej biztosítja a
megfelelő gáz levegő keveredést.
Legjobb hatásfokú, mivel nincsenek lokális
oxigén hiányos területek a lángban, kevés
légfelesleggel is biztosítható a tökéletes égés
Gázégő kékes színű lángja
Gázhalmazállapotú tüzelőanyagok
tüzelőszerkezetei
Szekunder vagy másodlagos
levegő a környezetből
alapállapot
Primer vagy elsődleges
levegő
indítás
keveredés
Folyamatos üzem
levegőbeáramlás
gázáram
A primer levegőáram a gáz sebesség függvénye
Gázhalmazállapotú tüzelőanyagok
tüzelőszerkezetei
Az égő kialakítása gázminőség függvénye !
városi gáz
2 CO + O2 = 2 CO2
2 tf
1 tf
2 H2 + O2 = 2 H2O
2 tf
1 tf
éghetőgáz : oxigén = 2 : 1
földgáz
CH4 + 2 O2 = CO2 + 2 H2O
1 tf
2 tf
éghetőgáz : oxigén = 1 : 2
bután gáz
C4H10 + 6,5 O2 = 4 CO2 + 5 H2O
1 tf
6,5 tf
éghetőgáz : oxigén = 1 : 6,5
Számítási gyakorlatok
1. Szilárd tüzelőanyag fűtőértékének számítása
Mennyi a fűtőértéke annak a tatabányai szénnek, amelynek kaloriméterben mért égéshője
2,26*104 kJ/kg, nedvességtartalma 14,5 %, hidrogéntartalma 4,70 %
A fűtőértéket (F) az égéshőből (É) megkapjuk, ha a szén nedvességtartalmának és a
hidrogén elégéséből képződő víznek az elpárologtatásához szükséges hőmennyiséget (R)
az égéshőből (R) levonjuk.
1 kg 20 °C-os víz 20 °C-os gőzzé történő elpárologtatásához szükséges hőmennyiség
≈ 2500 kJ. A hidrogén elégésekor 2,0 grammból 18 gramm víz képződik, tehát a víz
mennyisége a hidrogén kilencszerese.
Fűtőérték (F) = Égéshő (É) ▬ Párolgási hőmennyiség (R)
2500( 9 * 4,70 + 14,5)
2500(9H% + n%)
R=
100
=
= 1,42*103 kJ/kg
100
Fűtőérték (F) = 2,26*104 kJ/kg – 1,42*103 kJ/kg = 21180 kJ/kg ≈ 2,12*104 kJ/kg
2. Gáz fűtőértékének számítása
Számítsuk ki egy éghető gáz normál köbméterenkénti égéshőjét és fűtőértékét egy
Junkers kaloriméterben történt meghatározás eredményei alapján.
Elégetett gáz (G): 50,0 dm3 20 °C –os
Beáramló víz hőmérséklete: 10,5 °C
A füstgázból kondenzálódott
víz mennyisége : 12,5 cm3
m * c * Δt
Égéshő =
G
=
Átfolyt vízmennyiség (m): 16,0 dm3
Távozó víz hőmérséklete: 23,2 °C
Víz fajhője (c): 4,18 kJ/kg°C
víz párolgáshője: 2500 kJ/kg
16,0 kg * 4.18 kJ/kg°C * (23,2 – 10,5) °C
50,0 * 10 -3 m3
= 16987 kJ/m3 (20 °C) ≈
≈ 1,70*104 kJ/m3 (20 °C)
1 m3 20 °C-os gáz normál állapotban 273/293 * 1 m3 = 0, 93177 Nm3 = 0,932 Nm3
0,932 Nm3 gáz elégetésekor 1,70*104 kJ szabadult fel, tehát 1 Nm3 esetén 1,70*104 / 0,932 ≈ 1,82*104 kJ/Nm3
A víz elpárologtatásához szükséges hőmennyiség 1 m3 20 °C-os gáz elégetésekor
2500 kJ/kg * 12,5 * 10 -3 kg
= 625 kJ/m3 (20 °C)
50,0 * 10 -3 m3
1 Nm3 elégetésekor a víz elpárologtatásához szükséges hőmennyiség 625 / 0,932 = 670,6 kJ ≈ 671 kJ
Fűtőérték = 1,82*104 – 671 = 17529 kJ/Nm3 ≈ 1,75*104 kJ/Nm3
3. Fűtőanyag szükséglet számítása
Óránként m = 2000 kg 6,5 bar túlnyomású telített 168,0 °C-os vízgőzt kell előállítani 15,00 °C
hőmérsékletű tápvízből. Hány kg 15, 0 MJ/kg fűtőértékű szenet kell ehhez elégetnünk
tökéletesen, ha a kazán termikus hatásfoka 68,00 % ?
A víz párolgáshője (λ) 168 °C-on : 2048 kJ/kg.
A víz átlagos fajhője (c) (15-168 °C) : 4,181 kJ/kg°C
1. A víz felmelegítéséhez szükséges hőmennyiség:
Q1 = m * c * Δt = 2000 kg * 4,181 kJ/kg°C * (168,0 – 15,00)°C = 1 279 080 kJ = 1 279 MJ
2. A víz elpárologtatásához szükséges hőmennyiség :
Q2 = m * λ = 2000 kg * 2048 kJ/kg = 4 096 000 = 4 096 MJ
Összes hőmennyiség = 1 279 + 4 096 = 5 375 MJ
A 68,00 % hatásfokot figyelembe véve : 5 375 / 0,6800 = 7 904 MJ
A szükséges szén mennyiség: 7 904 [MJ] / [15,0 MJ /kg ] = 526,93 kg ≈ 527 kg
4. Légfeleslegtényező számítása
Egy gáztüzelésű kazánból az alábbi összetételű füstgáz távozik.
Szén-dioxid: 10,78 tf%
Vízgőz
: 13,55 tf%
Nitrogén
: 73,48 tf%
Oxigén
: 1,77 tf%
Hány százalék légfelesleggel történik a tüzelés ?
21
n=
21
=
21 – O2% * (79 / N2%)
= 1,099 ≈ 1,1
21 – 1,77 * (79 / 73,48)
A tüzelés során alkalmazott légfeleslegtényező 10 %
Légfeleslegtényező számítása az egyszerűsített képlet alapján:
n=
21
21 – O2%
=
21
= 1,092 ≈ 1,1
21 – 1,77
A tüzelés során alkalmazott légfeleslegtényező az egyszerűsített képlettel 10 %
A légfeleslegtényező számítási képletében a 21 és 79 a nitrogén és oxigén százalék két értékes jeggyel
szerepel. Ha pontosabb légfelesleget akarunk, a levegő oxigén és nitrogén tartalmát pontosabban,
azaz több értékes jeggyel kell megadni.
5. Technológiai paraméterek komplex számítása
Egy üzem kemencéinek fűtésénél felhasználásra kerülő fűtőolaj elemzési adatai az alábbiak:
szén százalék C%
: 84,50
hidrogén százalék H% : 11,80
kén százalék S%
: 3,600
hamu százalék
: 0,1000
3
a./ Percenként hány Nm levegőre van szükség, ha a fűtőolajból egy 8 órás műszak alatt
1000 kg-ot tüzelünk el 15,0%-os légfelesleggel ?
b./ Hány m3 150 °C-os normál állapotnak megfelelő nyomású nedves füstgáz keletkezik ?
c./ Milyen összetételű lesz a nedves füstgáz ?
Levegő oxigéntartalma 21,0% nitrogéntartalma: 79,0%
A fűtőolaj éghető alkotóinak égési reakciói:
C + O2 = CO2
H2 + ½ O2 = H2O
1mol 1 mol → 1 mol
1 mol
½ mol → 1 mol
S + O2 = SO2
1 mol 1 mol → 1 mol
A reakcióegyenletekből az éghető alkotók ismeretében aránypárokkal kiszámíthatjuk a szükséges
mennyiségű oxigént, amelyből számítható a levegő mennyisége. A kiszámított levegő mennyiségét
meg kell növelni a légfelesleggel.
A füstgáz összetétel számításnál hasonlóan járunk el, csak keletkező anyagok (CO2, H2O, SO2)
mennyiségét számoljuk ki. Ne felejtsük el, hogy a bevitt nitrogén változatlanul megjelenik a füstgázban.
A számolást egyszerűbben végezhetjük el, ha kilomólokkal számolunk és az adatainkat táblázatosan
kezeljük. 1 kmol = 22,41 Nm3
Az oxigénszükséglet 8 óra alatt 101,05 * 22,41 = 2 264,5 Nm3 ≈ 2 264 Nm3
A levegőszükséglet az oxigéntartalmat figyelembe véve = 2 264 / 0,210 = 10 781 Nm3 ≈ 1,08*104 Nm3
A 15%-os légfelesleget hozzáadva 1,08*104 + 1,08*104 * 0,150 = 12 420 Nm3 ≈ 1,24*104 Nm3
A percenkénti levegő betáplálás: 1,24*104 / (8*60) = 25,8 Nm3/ perc
A füstgáz percenkénti térfogatárama: 13061 / (8 * 60) = 27,210 Nm3 / perc
A 150°C-os füstgáz térfogatárama az egyesített gáztörvény felhasználásával:
27,210 * 423
V=
= 42,2 Nm3 /perc
273
A nedves füstgáz tf%-os összetétele a percenkénti össztérfogatból és az egyes alkotók
résztérfogataiból számíthatók.