Výpočty spaľovacích procesov

Chemické zloženie palív Zloženie tuhých a kvapalných palív Zloženie plynných palív

Zloženie tuhých a kvapalných palív (odpadov)

nepresné určovanie organických zlúčenín, tvoriacich horľavinu (zlúčenín C, H, O, N. S) elementárna analýza (percentuálny podiel hmotností prvkov v horľavine) nehorľavé látky – obsah popola (A) a vody (W) sa určia spálením resp. sušením C + H + O + N+ Scelk + A + W = 100%

Imediátna technická analýza okrem stanovenia obsahu vlhkosti a popola stanoví aj prchavé zložky( prchavé zložky – látky, ktoré vyprchajú pri zahrievaní z téglika bez prístupu vzduchu pri teplote 850 °C (okrem vody) PZ + V + A + W = 100% (PZ – pevný zvyšok v tégliku, V-prchavá horľavina, A- obsah popola, W - obsah vody)

Horľavina Je podiel paliva po odčítaní nehorľavých látok (popol a voda) Skladá sa z C, H, O, H, Sprch

Uhlík - C Qn = 33 900 kJkg-1 hlavný nositeľ tepelnej energie nachádza sa vo forme organických zlúčenín

Vodík - H Qn = 119 700 kJkg-1 celkový vodík – skladá sa z vodíka viazaného a neviazaného HC = HV + HN viazaný vodík – HV – viazaný na kyslík neviazaný vodík –HN – zvýši po zlúčení s celým obsahom kyslíka HN =H-O/8

Síra - S je nežiadúca – zvyšuje výhrevnosť produkty horenia síry - SO2 a SO3 kratšia trvanlivosť spaľovacích zariadení znečistenie ovzdušia

Kyslík - O Nežiadúca súčasť Viaže sa na H a C

Dusík - N nezúčastňuje sa na reakcii horenia podieľa sa na tvorbe NOX znižuje obsah iných zložiek znižuje výhrevnosť

Zloženie plynných palív (odpadových plynov) horľavé plyny – H2, CO, metán, H2S a nenasýtené uhľovodíky nehorľavé plyny – N2, CO2, O2, H2O, SO2

Spalné teplo a výhrevnosť palív (horľavých odpadov) spaliny – produkty spaľovania (vznikli zlúčením paliva a kyslíka) spalné teplo - Qv – množstvo tepla, ktoré sa uvoľní pri dokonalom spaľovaní, za predpokladu, že sa spaliny ochladia na 0°C a všetka vzniknutá para sa skondenzuje výhrevnosť paliva - Qn – množstvo tepla uvoľnené pri dokonalom spaľovaní mernej jednotky paliva pri ochladení na 0°C, vlhkosť zostane v spalinách ako vodná para Qn = Qv – 2500mH2O kJkg-1 (Qn- výhrevnosť paliva, Qv – spalné teplo, mH2O- množstvo vodnej pary)

Tuhé a kvapalné palivá tuhé palivá Qv = 339C + 1440 (H-1/8O) + 105S Qv = 339C + 1214 (H-1/8O) +105S – 25W kvapalné palivá (Mendelejevova rovnica) Qv = 339C + 1256H + 109 (O-S) Qv = 339C + 1030H + 109 (O-S) – 25W C, H, O, S, W sú hmotnostné percentá uhlíka, vodíka, kyslína, síry a vlhkosti v palive (odpade) %

Plynné palivá Spalné teplo a výhrevnosť plynných palív sa počíta ako súčet spalných tepiel a výhrevnosti jednotlivých plynov QV = V1Qv,1+V2Qv,2+...+ VnQv,n Qn = V1Qn,1+V2Qn,2+...+ VnQn,n kde V1 až Vn je objem jednotlivých plynov v 1mN-3

Spalné teplo a výhrevnosť rôznych plynov Qn, kJ.mN-3 Vodík 12 790 10 752 Oxid uhoľnatý 12 702 Metán 39 888 35 847 Etán 69 250 64 310 Propán 101 823 93 575 n-bután 134 020 123 552 Izobután 132 010 121 627 Etylén 64 016 59 955 Propylén 94 370 88 216 Butylén 121 878 113 839 Acetylén 58 992 56 940 Zmes uhľovodíkov CmHn (2,4 mN3 H2+ 1400 g C) 78 168 73 269

Spaľovanie palív (odpadov) zahrievanie za prítomnosti vzduchu – spaľovanie zahrievanie za obmedzeného prístupu vzduchu – splyňovanie zahrievanie bez prístupu vzduchu - pyrolýza

Podmienky spaľovania Spaľovanie prebieha len ak sú splnené dve základné podmienky: palivo (odpad) musí byť v styku s okysličovadlom zmes paliva a okysličovadla musí byť zahriata na zápalnú teplotu

Rozmedzie vznietenia Dolné – najmenší podiel paliva v objemových percentách zmesi Horné - najväčší podiel paliva v objemových percentách zmesi

Zápalná teplota je teplota, pri ktorej prebieha horenie paliva bez prívodu tepla z vonkajšieho prostredia je teplota, pri ktorej rýchlosť oxidačnej reakcie je taká vysoká, že teplo, ktoré sa pri nej uvoľní je väčšie ako teplo odovzdané do okolia

Zápalné teploty a rozmedzia vznietenia Palivo Zápalná teplota °C Rozmedzie vznietenia Dolné objemové % Horné objemové % Vodík 530 4,0 74,2 Oxid uhoľnatý 610 12,5 Metán 645 5,0 15,0 Vysokopecný plyn   35-40 65-75 Generátorový plyn 700 25 75 Koksárenský plyn 560 5 30 Svietiplyn 6 35 Zemný plyn 4 17

Zápalné teploty rôznych druhov pevných a kvapalných palív Tuhé palivá Zápalná teplota °C Kvapalné palivá Drevo – mäkké tvrdé 220 (tvrdé 300) Benzín 330-520 Vysušená rašelina 225-280 Benzol 520-600 Hnedé uhlie 200-240 Vykurovací olej 212 Čierne uhlie 220-240 Olej z hnedouhoľného dechtu 360 Antracit 220-340 Olej z čiernouhoľného dechtu 315 Drevné uhlie 485   Polokoks 144 Petrolejový koks 411 Smolný koks 544-582 Čiernouhoľný koks 500-600

Horenie plynných palív prebieha vo veľmi tenkej vrstve, ktorá oddeľuje palivá a spaľovaný vzduch prebiehajú tu chemické reakcie horenia oblasť sa nazýva front horenia teplo uvoľnené horením palivá predhrieva a zapaľuje

Normálna rýchlosť šírenia plameňa - un Ak je rúrke nehybná zmes paliva a spaľovaného vzduchu potom sa front horenia bude premiestňovať v smere kolmom na povrch frontu Táto rýchlosť s nazýva normálnou rýchlosťou šírenia plameňa Ak je pre danú zmes na jednotku povrchu frontu horenia zhorí za jednu s rovnaké množstvo paliva m, tak pri posunutí rovinného frontu horenia je normálna rýchlosť šírenia plameňa daná vzťahom un = m/ρ (ms-1) m – rýchlosť horenia kgm-2s-1, ρ – merná hmotnosť pôvodného chladného plynu kgm-3

Normálna rýchlosť šírenia plameňa pre zmes niekoľkých horľavých plynov CO, H2, CH4 – obsahy jednotlivých horľavých zložiek v zmesi so vzduchom v obj. % unCO – normálna rýchlosť šírenia plameňa jednotlivej horľavej zložky, ms-1

Normálna rýchlosť šírenia plameňa závisí: koncentrácie horľavej látky tlaku teploty

Horenie kvapalných palív kvapalné palivá sa nespaľujú priamo, ale po rozprášení pre rozprášenie kvapalného paliva sa používa: - samotné palivo pri vysokom tlaku - ventilátorový vzduch - predhriaty stlačený vzduch alebo vysokotlaká para

Horenie tuhého paliva tuhé palivo sa pred vlastným spaľovaním najprv zahrieva nastane termický rozklad organickej hmoty paliva dva spôsoby: horenie tuhého paliva vo vrstve horenie tuhého paliva v prášku

Stechiometria spaľovacích procesov Stanovuje sa : výhrevnosť paliva (odpadu) množstvo O (vzduchu) potrebného k dokonalému spaľovaniu paliva (odpadu) množstvo a zloženie spalín adiabatická, teoretická a praktická spalná teplota

Výpočty spotreby vzduchu a množstva spalín Dokonalé spaľovanie Nedokonalé spaľovanie Zmiešané spaľovanie

Dokonalé spaľovanie Nastane spálenie všetkých horľavých zložiek v palive C + O2 = C O2 Dokonale spaľovanie s teoretickým prebytkom vzduchu (Lmin), ktoré sa dá vypočítať zo stechiometrických vzťahov spaľovacích rovníc je možné dosiahnuť len pri dokonalom premiešaní a pri ideálnych podmienkach V skutočnosti – prebytok vzduchu

Súčiniteľ prebytku vzduchu Pomer medzi skutočnou a teoretickou spotrebou vzduchu

Hodnoty súčiniteľa prebytku vzduchu n pre rôzne palivá Druh paliva n Kusové uhlie 1,5-2,0 Tuhý odpad 1,6-2,5 Práškové hnedé uhlie 1,15-1,30 Práškové čierne uhlie Vykurovací olej 1,1-1,3 Koksárenský plyn 1,05-1,1 Zemný plyn Vysokopecný plyn 1,15-1,20

Nedokonalé spaľovanie V spalinách sa nachádza určité množstvo spaľovaných látok C+1/2O2=CO n〈1 n≥1 pri nedokonalom zmiešaní paliva s oxidačným činidlom

Zmiešané spaľovanie ak spaliny obsahujú CO2 aj CO

Spôsoby výpočtov spotreby vzduchu a množstva spalín Podľa údajov elementárnej analýzy pomocou stechiometrických rovníc (analytický spôsob) Pomocou približných vzorcov, odlišných pre rôzne druhy paliva (na základe výhrevnosti) Grafickými metódami

Stechiometrické výpočty Predpokladá sa dokonalé spaľovanie Výpočet sa zjednodušuje zaokrúhlením molekulových hmotností a objemov Ako okysličovadlo sa používa suchý vzduch

Zjednodušené zloženie suchého vzduchu objemovo (21% O2, 79% N2) Hmotnostne 23,1% O2, 76,9%N2

Spalná teplota Charakterizuje palivo vzhľadom k jeho technologickému použitiu Stanovuje sa z rovnice tepelnej rovnováhy Qch+Qp+Qvz= Qsp+Qned+Qdis +Qz (kJkg-1)

Príjem tepla Qch+Qp+Qvz= Qsp+Qned+Qdis +Qz (kJkg-1) Príjem tepla: (Qch-chemické teplo, ktoré je určené výhrevnosťou paliva Qpenatetalpia predhriateho paliva) Qp=cptp Qvz- entalpia predhriateho vzduchu Qvz= cvz tvznLmin

Výdaj tepla Qch+Qp+Qvz= Qsp+Qned+Qdis +Qz (kJkg-1) Qsp- entalpia spalín Qsp= Vsp csp tsp Qned – chemický a mechanický nedopal Qdis – disociačné teplo Qz- teplo odvedené do konštrukcie pece a do okolia

Výpočet teploty spalín , ktorá charakterizuje spalnú teplotu paliva Tsp = Qch+ Qp+ Qvz-Qned-Qdis-Qz/Vsp. csp

Základné druhy spalných teplôt Adiabatická Teoretická Praktická

Adiabatická spalná teplota ta ta = Qn /Vsp,mincsp

Teoretická spalná teplota tt tt=Qn+ Qp+ Qvz/ Vsp. csp

Praktická spalná teplota tp tp= Qch+ Qp+ Qvz- Qned- Qdis- Qz/ Vsp. Csp Prepočet cez pyrometrický efekt Tp= tt. „ný“pyr

Cvičenie č.: 2

Výpočty spotreby vzduchu a množstva spalín Dva spôsoby: analytický spôsob - podľa údajov elementárnej analýzy pomocou stechiometrických rovníc pomocou približných vzorcov, odlišných pre rôzne druhy palív – na základe výhrevnosti grafickými metódami

Spaľovanie odpadov používa sa analytický spôsob predpokladá sa dokonalé spaľovanie výpočet sa zjednodušuje zaokrúhlením molekulových hmotností a molekulových objemov ako okysličovadlo sa používa suchý vzduch

Objemové zloženie suchého vzduchu 21% O2, 79% N2 pomer kyslíka, dusíka a vzduchu O2:N2:vzduch = 21/21:79/21:100/21 = 1:3,76:4,76

Hmotnostné zloženie suchého vzduchu 23,1% O2, 76,9% N2 pomer kyslíka, dusíka a vzduchu O2:N2:vzduch = 23,1/23,1:79,6/23,1:100/23,1 = 1:3,33:4,33

Poznámka Pri praktických stechiometrických výpočtoch zanedbáva vlhkosť vzduchu a tak môžu vznikať chyby 1 až 2%.

Spaľovanie tuhých a kvapalných odpadov výpočet – hmotnostný alebo objemový, výnimočne molárny spaľovanie plynných palív – zloženie je udávané v objemových % sa používa spaľovanie objemové

Označenie vo výpočtoch Omin – teoretické množstvo kyslíka pre dokonalé spaľovanie, m3N, kg Lmin – teoretické množstvo vzduchu pre dokonalé spaľovanie, m3N, kg Lskut - skutočné mnžstvo vzduchu pre dokonalé spaľovanie, m3N, kg n -súčiniteľ prebytku vzduchu VVsp, mVsp - objemové a hmotnostné množstvo vlhkých spalín, m3N, kg VSsp, mSsp - objemové a hmotnostné množstvo suchých spalín, m3N, kg VSsp, min – množstvo suchých spalín pri spaľovaní s teoretickým množstvom vzduchu, m3N, kg VCO, mCO - objem a hmotnosť CO (po prípade ostatných zložiek), m3N, kg C, H2 - množstvo uhlíka, vodíka, ... v 1m3 alebo 1 kg paliva, m3N, kg W- vlhkosť (voda), m3N, kg

Spaľovanie tuhých a kvapalných odpadov Použitím molekulových hmotností jednotlivých prvkov je možné vyjadriť vzťahy pre oxidačné rekcie pri spaľovaní rovnicami

Uhlík UHLÍK C + O2 = CO2 teplo 12 kg 32 kg 44 kg 406,3 MJ 22,4 m3

Vodík VODÍK 2H + 0,5 O2 = H2O teplo 2 kg 16 kg 18 kg 241 MJ 11,2 m3

Síra SÍRA S + O2 = S2O teplo 32 kg 64 kg 290 MJ 22,4 m3

Ostatné prvky a vlhkosť (voda) 2N = N2 28 kg = 28 kg 28 kg = 22,4 m3 2O = O2 32 kg = 32 kg 32 kg = 22,4 m3 H20kvap=H2Opara 18 kg = 18 kg 18 kg = 22,4 m3

Poznámka Výpočty spaľovania vychádzajú z molekulovej hmotnosti jednotlivých prvkov, ktoré sa udávajú v kilogramoch. Podľa Avogadra 1 mol akejkoľvek plynnej látky pri normálnych podmienkach (0°C, 101, 325 kPa) objem 22,4 m3

Výpočty hmotnostného spaľovania

Omin = 2,67 C + 8H + S – O Lmin = Omin . 4,33 Lskut = Omin . 4,33 . n mspv = mCO2+ mSO2+ mH2O+ mN2+ mO2 mspS = mCO2+ mSO2+ mN2+ mO2 mCO2=3,67.C mSO2= 2 . S mH2O= 9H + W mN2= N + Omin . 3,33.n mO2 = Omin (n-1)

Vyjadrenie jednotlivých zložiek spalín CO2 = (mCO2 /mspV) . 100 H2O = (mH2O /mspV) . 100 SO2 = (mSO2 /mspV) . 100 N2 = (mN2 /mspV) . 100 O2 = (mO2 /mspV) . 100

Výpočty objemového spaľovania

Omin = 1,87 C + 5,6H + 0,7S – 0,7O Lmin = Omin . 4,76 Lskut = Omin . 4,76 . n Vspv = mVCO2+ VSO2+ VH2O+ VN2+ VO2 VspS = VCO2+ VSO2+ VN2+ VO2 mCO2=1,87.C mSO2= O,7 . S mH2O= 11,2H + 1,24W mN2= 0,8N + Omin . 3,76.n

Vyjadrenie jednotlivých zložiek spalín CO2 = (VCO2 /VspV) . 100 H2O = (VH2O /VspV) . 100 SO2 = (VSO2 /VspV) . 100 N2 = (VN2 /VspV) . 100 O2 = (VO2 /VspV) . 100

Príklad Určite množstvo spaľovacieho vzduchu a množstvo vlhkých spalín, ak sa spaľuje tuhý komunálny odpad so zložením: C 21,7 %, H 2,5%, O 15,6%, S 0,6%, H2O 21,5%, N 0,2% a zvyšok je popol. Spaľuje sa s 50% prebytkom vzduchu. Pre výpočet použite hmotnostné i objemové spaľovanie.

Riešenie Kvôli prehľadnosti je výpočet spaľovania uvedený v tabuľke. Počtový úkon sa vzťahuje k výpočtu Omin. Hmotnosť zložiek spalín sa určí pri hmotnostnom spaľovaní zo súčtu hmotností spaľovanej zložky a hmotnosti kyslíka, potrebného pri spaľovaní

Množstvo vlhkých spalín VVsp= 0,765 + 0,44 + 0,012 + 3,144 + 0, 315 = 4,707kg.kg-1

Množstvo spaľovacieho vzduchu použujeme vzťah Lskut = Omin . 4,33 . n kgkg_1 Lskut = 0,629+1,5+4,33=4,085 kgkg_1

Spaľovanie tuhého v hmotnostných jednotkách Zložka kg Spaľovacia rovnica Počtový úkon Qmin Spaliny CO2 H2O SO2 N2 O2 C 0,217 C+O2 = CO2 (32/12).0,217= 2,67.0,217 0,579 0,796 H 0,025 2H+0,5O=H2O (16/2).0,025=8.0,025 0,200 0,225 S 0,006 S+O2=SO2 (32/32).0,006=1.0,006 0,012 O 0,156 -0,156 Qmin celkové 0,629 N 0,002 N z paliva W 0,215 H2O z paliva N2 zo vzduchu Qmin.m. 3,33= 0,629.1,5.3,33 3,142 Prebytočný O2 Qmin.(m-1)=0,629.0,5 0,315 Spolu ∑ 0,44 3,144 4,707

Spaľovanie tuhého paliva v objemových jednotkách Zložka kg Spaľovacia rovnica Počtový úkon Qmin Spaliny CO2 H2O SO2 N2 O2 C 0,217 C+O2 = CO2 (22,4/12).0,217 0,406 H 0,025 2H+0,5O=H2O (11,2/2).0,025 0,140 0,280 S 0,006 S+O2=SO2 (22,4/32).0,006 0,004 O 0,156 Prepočet z hmotnosti na objem (22,4/32).0,156 -0,109 Qmin celkové 0,441 N 0,002 (22,4/28).0,02 0,0016 W 0,215 (22,4/18).0,215 0,267 N2 zo vzduchu Qmin.m. 3,76= 0,441.1,5.3,76 2,487 Prebytočný O2 Qmin.(m-1)=0,441.0,5 0,221 Spolu ∑ 0,547 2,489 3,667

Zloženie vlhkých spalín (% hmotn.) vychádzame zo vzťahov: CO2 = (mCO2 /mspV) . 100 H2O = (mH2O /mspV) . 100 SO2 = (mSO2 /mspV) . 100 N2 = (mN2 /mspV) . 100 O2 = (mO2 /mspV) . 100 CO2 = (0,012/4,707)100 = = 16,91% SO2 = (0,012/4,707)100 = = 0,25% O2 = (0,35/4,707)100=6,69% H2O = (0,44/4,707)100 = 9,35% N2 = (3,144/4,707).100 = 66,8%

K spáleniu 1kg uvedeného odpadu je treba Lsk = Qminm.4,76 = 0,441.1,5.4,76 = 3,149 m3N vzduchu a pri tom vznikne 3,667 m3N spalín.

Spaľovanie plynných palív zloženie plynných palív sa udáva v objemových percentách preto sa u tohto druhu uvažuje len v objemových percentách

Základné rovnice objemového spaľovania

Oxid uhoľnatý CO + 0,5 O2 = CO2 + teplo 1m3 + 0,5m3 = 1m3 + 12,64 MJ

Vodík H2 + 0,5 O2 = H2O + teplo 1m3 + 0,5 m3 = 1m3 + 10,76 MJ

Sírovodík (sulfán) H2S + 1,5 O2 = SO2 + H2O + teplo 1m3 + 1,5m3 = 1m3 + 1m3 + 23,7 MJ

Metán CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O + teplo 1m3 + 2m3 = 1m3 + 2m3 + 35,8 MJ

Uhľovodíky CmHn + 3,8 O2 = 2,6 CO2 + 2,4 H2O + teplo 1 m3 + 3,8 m3 = 2,6 m3 + 2,4 m3 + 73,27 MJ

Výpočet Omin = 0,5 CO+0,5H2+1,5H2S+2CH4+3,8CmHn Lmin = Omin4,76 Lskut = Omin 4,76n VspV = VCO2+VSO2+VH20+VN2+VO2 VspS = VCO2+VSO2+VN2+VO2

Kde.. VCO2 = CO + CO2 + CH4 + 2,6 CmHn VSO2 = H2S VH2O = H2 + 2 CH4 + H2S + 2,4 CmHn VN2 = N2 + O2min(n-1)

Vyjadrenie jednotlivých zložiek v objemových percentách CO2 = (VCO2/VspV). 100 H2O = (VH2O/VspV). 100

Príklad Ako príklad spaľovania plynného paliva je uvedené spaľovanie odpadového plynu (koksárenský plyn), ktorý má zloženie: 4% oxidu uhličitého, 2% uhľovodíkov, 1% kyslíka, 8% oxidu uhoľnatého, 51% vodíka, 24% metánu, 9,1% duíka, m=1,15.

Spaľovanie plynného paliva Zložka M3N Spaľovacia rovnica Počtový úkon Qmin Spaliny   CO2 H2O N2 O2 O 0,08 CO+0,5O2=CO2 0,5.0,08 0,40 0,8 H2 0,51 H2+0,5O=H2O 0,5.0,51 0,255 0,510 CH4 0,249 CH4+2O2=CO2 + H2O 2.0,249 0,498 CmHn 0,02 CmHn+3,8O2=2,6CO2+2,4H2O 3,8,0,02 0,076 0,052 0,048 0,01 -0,01 Qmin celkové 0,859 0,04 CO2 z plynu 0,091 N2 z plynu N2 zo vzduchu Qmin.m. 3,76= 0,859.1,15.3,76 3,71 Prebytočný O2 Qmin.(m-1)=0,859.0,15 0,129 Spolu ∑ 0,421 1,056 3,801 5,407

K spáleniu 1 mN3 koksárenského plynu daného zloženia je treba: Zmes ťažkých uhľovodíkov sa spaľuje podľa rovnice odvodenej z ich predpokladaného zloženia CmHn = 2,4 mN3 H2 a 1400g C. CmHn = 3,8 O2 = 2,6 CO2 + 2,4 H2O K spáleniu 1 mN3 koksárenského plynu daného zloženia je treba: Lsk= Omin.m.4?76 = 0,859.1,15.4,76=4,7 mN3 vzduchu a vznikne 5,407 mN3 spalín