Transcript T01 - Tüzelőanyagok - DE Műszaki Kar

Tüzeléstechnika
Tüzelőanyagok jellemzése
L. Szabó Gábor
Debreceni Egyetem Műszaki Kar
Épületgépészeti és Létesítménymérnöki Tanszék
[email protected]
Bevezetés
Tüzeléstechnika
• A tüzeléstechnika a tüzelőanyagok elégetése során
lejátszódó
folyamatokkal
foglalkozó
tudományterület.
• Tüzelőanyag az a nagy mennyiségben rendelkezésre
álló természetes vagy mesterséges éghető anyag,
amelynek
elégetése
(oxidációja)
közben
jó
hatásfokkal hőenergia keletkezik. Halmazállapota
szerint lehet szilárd, folyékony vagy gáznemű
Tüzelőanyagok állapot- és
anyagjellemzői
Állapotjellemzők
Anyagjellemzők
• Hőmérséklet (T; [°C], [K])
• Fajhő (c [J/kg·K])
• Nyomás (p; [Pa], [mbar],
• Molekula tömeg (M; [kg/mol])
[bar])
• Gázállandó (R; [J/mol·K])
• Sűrűség (ρ [kg/m3])
• Fajtérfogat
[m3/kg])
• Folyáspont
(ν
(nű);
• Hővezetési tényező (λ; [W/m·K])
• Dinamikai viszkozitás (η; [N·s/m2])
• Kinematikai viszkozitás
Tüzelőanyagok
tüzeléstechnikai jellemzői
• összetétel
• relatív gázsűrűség
• égéshő és fűtőérték
• gyulladási hőmérséklet, lobbanáspont, gyulladáspont
• a gyújtási koncentráció határai
• normál lángterjedési sebesség
• Wobbe-szám
Összetétel
• Gázösszetétel: Az adott, szennyező anyagoktól mentes
gázkeverék kémiailag egynemű alkotók térfogataránya
vagy
térfogatszázaléka.
Általában
komatográffal
határozzák meg. Mértékegysége: [tf%], m3/m3
• Térfogatarány: Egy adott komponens térfogata osztva
a keverék teljes térfogatával. Jele: ri, mértékegysége
[m3/m3]
Relatív gázsűrűség
• Az éghető gázkeverék és a levegő
sűrűségének aránya
• a gázkeverék és a levegő sűrűsége azonos
állapotra vonatkozik
• Jele: d
• Mértékegysége: [-]
• pl.: földgáz d~0,6
d 
 gázkeverék
 leveg ő
Gyulladási hőmérséklet,
lobbanáspont, gyulladáspont
• Gyulladási hőmérséklet: Az a legkisebb hőmérséklet, amelyen a
tüzelőanyag égése önként végbemegy. Feladat a gyulladás megindítása
és a robbanásveszély elkerülése, ez a földgáznál ~640 [°C]
• Lobbanáspont: az a hőmérséklet, amelynél a felületen, és a felette
lévő térben a gőz belobban de tovább nem ég.
• Gyulladási pont: az az olajhőmérséklet, amelynél az olajgőz belobban
és 5 [s]-nál tovább ég.
Gyújtási koncentráció és
normál lángterjedési sebesség
• A gyújtási koncentráció határai: A gáz-levegő
elegyek gyulladási határai, földgáznál 5-15 [%]
• Normál lángterjedési sebesség: A gyulladási
sebesség az
a sebesség, amivel az égés
a
gázkeverékben terjed. A lángsebesség lángfront
mozgási sebessége a gázéhoz viszonyítva.
Égéshő
(Felső fűtőérték)
• Az egységnyi tüzelőanyag tökéletes elégésekor a kémiailag kötött energiára
jellemző átalakulási hő, ha a gáz, az égési levegő és a keletkezett füstgáz
hőmérséklete azonos (0 [°C]), akkor az égéstermék víztartalma folyékony
halmazállapotú és a levegő nitrogéntartalma nem oxidálódik.
• Jele: Hf
• Mértékegysége [kJ/m3], [MJ/m3], [kWh/m3] vagy [kJ/kg]
• Értéke földgáznál kb. Hf~40 [MJ/m3]
n
H f  H f, gáz 
 (r  H
i
i 1
f, i
)
 kJ 
m3 


Fűtőérték
(Alsó fűtőérték)
• Az egységnyi tüzelőanyag tökéletes elégésekor a kémiailag kötött energiára
jellemző átalakulási hő, ha a gáz, az égési levegő és a keletkezett füstgáz
hőmérséklete azonos (0 [°C]), akkor az égéstermék víztartalma gőz
halmazállapotú és a levegő nitrogéntartalma nem oxidálódik.
• Jele: Ha
• Mértékegysége [kJ/m3], [MJ/m3], [kWh/m3] vagy [kJ/kg]
• Értéke földgáznál kb. Ha~36 [MJ/m3]
n
H a  H a, gáz 
 (r  H
i
i 1
a, i
)
 kJ 
m3 


Wobbe-szám
• A gázégőből kiáramló gázkeverékre jellemző a kémiailag kötött
energia árama az azonos állapotra jellemző égéshő és a kiáramló
térfogat szorzata:
Q  H
f , kev
 V  H
f , kev

 C    A 

p

T
 p st 

d 
• Ebből a tüzeléstechnikai jellemzőket egy oldalra rendezve nyerjük
a (felső) Wobbe-számot:
Wo
felsö

Q  T
C   A 
p 
 p st
 H
f , kev

1
d

H
f , kev
d
Alsó, felső és bővített
Wobbe-szám
• A felső Wobbe-szám
Wo
fels ő

H
f , kev
d
• Az alsó Wobbe-szám
Wo
alsó

H a , kev
d
• Bővített Wobbe-szám:
Wo bövített  H
f , keverék

 p st
d
 MJ 
  3 
m 
Különböző állapotok térfogatai
Gáztérfogat
Állapotjelzők
Vízgőztartalom
Neve
M.E.
Hőmérséklet
Nyomás
Fizikai normál
Nm3
0 [°C]
101.325 [Pa]
Száraz
Gáztechnikai
normál
gnm3
15 [°C]
101.325 [Pa]
Telített
Standard
m3st
15 [°C]
1013,25
[mbar]
száraz
Üzemi
m3
A ténylegesen előforduló érték
Szilárd, folyékony és gáz
halmaz állapotú tüzelőanyagok
Szilárd tüzelőanyagok
• Magyarországi felhasználásuk 1950-es évektől csökken, de napjainkban
reneszánszukat élik.
• Általános jellemzőjük, hogy a keletkező égéstermék, a tökéletlen égés
folytán a gáztüzeléshez viszonyítva nagyobb mértékben tartalmaz port,
és szilárd részeket.
• Biomassza készülékek jó hatásfokkal rendelkeznek.
• Három nagy csoportra oszthatóak:
• Hagyományos tüzelő anyagok: fekete és barna szén,
• Radioaktív tüzelő anyagok: urán
• Biomassza tüzelőanyagok: fa, pellet, brikett
Fontosabb szilárd tüzelőanyagok és
fűtőértékük
• frissen vágott fa
6,8 [MJ/kg]
• szárított fa
15 [MJ/kg]
• lignit
15 [MJ/kg]
• barnaszén
17 [MJ/kg]
• feketeszén
24 [MJ/kg]
• Fabrikett
18 [MJ/kg]
• Fapellett
20 [MJ/kg]
Fa, mint tüzelőanyag
• A fa égésekor a hő hatására keletkező gázok égnek el. Ha a fa nedves, akkor a
keletkező energia jelentős része elhasználódik a víz elpárologtatására. Az égés
20 % esetén optimális.
• A fa CO2 semlegesen ég el, égése alatt csak annyi széndioxidot ad le, amennyit
növekedése alatt felvett.
• Az egyik legrégebbi tüzelőanyagunk. Napjainkban reneszánszát éli, mert jó
hatásfokú készülékeket fejlesztettek ki.
• Hátránya: A mai hazai gyakorlat alapján, egyszerűen „elfogyhatnak” az erdők.
• A fa nedvesség - energia összefüggése:
• Kivágáskor kb 50-60% a nedvesség tartalma, fűtőértéke kb. 2 kWh/kg
• 1 év száradás után 25-35% a nedvesség tartalma, fűtőértéke kb. 3,4 kWh/kg
• 2 év száradás: nedvesség tartalom kb. 15-25%, fűtőértéke kb. 4 kWh/kg
A különböző fa fajták fűtőértéke
20%-os nedvességtartalom mellett
Fa fajta
Fűtőértéke [kWh/kg]
bükk
3,73
lucfenyő
3,95
fenyő
4,18
tölgy
3,92
kőris
3,81
akác
3,81
nyárfa
3,69
Faapríték
• A faapríték erdőgazdaságokban készül, speciális aprítógépek segítségével. A
kivágott fatörzseket ill. ágakat darabokra aprítják, majd szállítókocsival viszik a
tároló helyre, vagy közvetlenül felhasználóhoz.
• A faapríték minősége a nedvességtartalomtól, az aprított anyagtól, az aprítás
minőségétől és az apríték homogenításától függ.
• A frissen készült apríték nedvességtartalma 50% körül van, amelyet 10-20 %-ra
kell csökkenteni szárítással.
• Minél nagyobbak a méretbeli eltérések, annál nehezebb az anyagot egyenletesen
mozgatni és égetni.
• Az újabb fejlesztések nyomán alkalmas folyamatos fűtési feladatok ellátására.
Pellett, brikett
• Kényszer szárított tüzelő anyagok.
• A pellet a növényi alapanyagokból, fás- és lágyszárúakból (és a belekevert
kötőanyagokból) egyaránt sajtolással, préseléssel nyert 6-12 [mm] átmérőjű és
2-5 [cm] hosszúságú
henger alakú granulátum, melynek igen jók a fizikai
tulajdonságai (alacsony 10-15 [%]-os nedvességtartalom, 17-19 [MJ/kg]
fűtőérték, 1 [%] körüli hamutartalom)
• A fapelletek, fabrikettek használata terjedőben van. Ezeknél fűrészport
préselik, ami így a fűrészpornál könnyebben ég el, ugyanakkor a fánál jóval
homogénebb szemcseméretű és emiatt jobban automatizálható.
• A briketthez képest csupán annyi a különbség, hogy a brikett átmérője
nagyobb, 100-155 [mm], egyébként a többi tulajdonsága és az előállítás módja
is hasonló.
Kőolaj párlatok
1) A kőolaj hevítése 360 [°C] fölé hevítik, majd
visszahűtés
2) A
360
[°C]
fölötti
kenőolajokat nyernek ki
3) 210…360 [°C] gázolaj
4) 180 [°C] alatt benzin
nehézolajokat
és
Fűtésre használt olajok
• Ipari rendszereinkben, Nagy-Britanniában
• Nyersolajból, lepárlással állítják elő, így mesterséges tüzelőanyagok
• Tüzelőolajok:
• könnyű olaj, égésjavító adalékokat tartalmazó lepárlási termék, jele:TÜ
• TÜ 20/40: Tüzelőolaj 20 °C szállítható/40 °C porlasztható
• Fűtőolaj:
• nehéz olaj, a kőolaj feldolgozás lepárlási maradéka, Jele F, FA, ha
kénszegény
• FA 60/130: Kénszegény fűtőolaj, 60 °C szállítható/130 °C porlasztható
Benzin
• Sűrűsége 730…780 [kg/m3]
• Fűtőértéke 42,9 [MJ/kg] vagy 32 [MJ/liter]
• Gyorsan és jól párologjon: 180 [°C]-ig a benzin 90 [%]-a párologjon el.
• A benzin különböző forráspontú szénhidrogének keveréke, nincs egyetlen
forráspontja. A kisebb forráspontú összetevők könnyítik a hidegindítást,
de melegben a tüzelőanyag-szivattyúban és a porlasztóban képződő
gőzbuborékok üzemzavart okoznak (kavitáció)
• A benzin kompressziótűrése legyen nagy, hogy a sűrítési ütemben
fölmelegedve ne gyulladjon meg önmagától a szikragyújtás előtt.
Gázolaj
• Sűrűsége 815…855 [kg/m3]
• Fűtőértéke 42,43 [MJ/kg] vagy 35,8 [MJ/liter]
• Gyúlékonynak kell lennie.
• A gyulladási késedelem a befecskendezés kezdőpillanata és az égés
kezdete közötti kb. 1 [ms] idő. Minél kisebb a gázolaj gyulladási
késedelme, annál gyúlékonyabb. Értéke függ:
• a gázolaj kémiai tulajdonságaitól,
• a levegő és a gázolaj közötti hőmérsékletkülönbségtől,
• a porlasztás finomságától
• a gázolajcseppek és a levegő keveredésétől.
Gázolaj
• A gázolajban kémiailag kötött állapotban van a kén, ez a motorban
kéndioxiddá ég el, károsítja a környezetet. A kéntartalomnak 0,05 [%]-nál
kisebbnek kell lennie, mert a magas kéntartalom a NOx tárolót tönkreteszi.
• A hideg gázolajban parafinkristályok válnak ki, és ha ezek mérete túl nagy,
eltömítik a tüzelőanyagszűrőt. Az előírások szerint a téli gázolaj
parafintartalmának olyannak kell lennie, hogy a gázolaj még (-15) [°C]-on
is szűrhető legyen (hideg szűrhetőségi határ hőmérséklete). Télen a gázolaj
tulajdonságát 30...50 [%] petróleum hozzáadásával javítják.
• A befecskendező szivattyú és a porlasztó mozgó részeit a gázolaj keni,
ezért fontos, hogy viszkozitása még 60...70 [°C]-on se csökkenjen le.
Gázcsaládok
• Első gázcsalád
• A, B, C
23,0<[Wobbe-szám]<33,5
• Második gázcsalád
• H, L, E, S
37,8<[Wobbe-szám]<56,5
• Harmadik gázcsalád
• B/P, P, B
77,4<[Wobbe-szám]<92,4
• A felső Wobbe-szám gáztechnikai normálállapoton [MJ/m3]-ban.
• Részletesen az MSZ-EN 437/1999 szabvány foglalkozik velük.
Első gázcsalád
• Gyártott gázok, legkisebb a fűtőértékük
• hidrogénben gazdag
• Wobbe-szám: 23,0-33,5 [MJ/m3]
• A:
városi gáz (1900-1920 közötti vezetékekben megy)
• B:
koksz kemence gáz
• C:
szénhidrogén-levegő elegy (pl. biogáz)
Második gázcsalád
• metánban gazdag gázok
• H: 45,7-54,7 [MJ/m3] Nagy Wobbe-számú földgáz.
• L:
39,1-44,8 [MJ/m3] Nagy inert tartalmú gáz fő összetevője a
nitrogén. Alacsony Wobbe-számú földgáz.
• E:
40,9-54,7 [MJ/m3]
• S: A hazai nagy széndioxid tartalmú inert gázokat tartalmazza
• Wobbe szám: 37,8-56,5 [MJ/m3]
Harmadik gázcsalád
• A legnagyobb fűtőértékű gázok
• cseppfolyósított szénhidrogéngázok
• P: Propán
• B: Bután
• P/B: Propán-bután keverékek háztartási célokra
• Wobbe szám: 77,4-92,4 [MJ/m3]
Köszönöm a figyelmet !