BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM GÉPÉSZMÉRNÖKI KAR ENERGETIKAI GÉPEK ÉS RENDSZEREK TANSZÉK
TÜZELÉSTECHNIKA segédlet és példatár
Budapest 2015
Tartalomjegyzék 1. Tüzeléstani számítások ........................................................................................................................ 3 1.1. A tüzelőanyagok és a levegő összetétele ..................................................................................... 3 1.2. Sztöchiometriai számítások........................................................................................................ 5 1.3. Elméleti oxigén illetve levegőigény és elméleti füstgázmennyiség meghatározása ......................... 6 1.4. Valós tüzelési körülmények figyelembevétele ............................................................................. 9 1.5. Égéshő és fűtőérték közelítő számítása ..................................................................................... 10 2. Füstgázelemzés és kiértékelés ............................................................................................................ 11 2.1. Légfelesleg-tényező meghatározása füstgázelemzés alapján....................................................... 11 2.2. Nedves füstgázra vonatkoztatott koncentráció átszámítása száraz füstgázra vonatkoztatottra ........ 12 2.3. Füstgázalkotó koncentrációjának meghatározott oxigéntartalomra történő átszámítása................. 12 2.4. Füstgázalkotók mg/m3 -ben kifejezett koncentrációinak kiszámítása............................................ 12 3. Elméleti égési hőmérséklet ................................................................................................................ 13 4. Bunsen égő....................................................................................................................................... 14 5. Tűztéri hőcsere és tartózkodási idő ..................................................................................................... 16 6. Számítási feladatok ........................................................................................................................... 19 1. feladat....................................................................................................................................... 19 2. feladat....................................................................................................................................... 19 3. feladat....................................................................................................................................... 20 4. feladat....................................................................................................................................... 20 5. feladat....................................................................................................................................... 26 6. feladat....................................................................................................................................... 29 7. feladat....................................................................................................................................... 30 8. feladat....................................................................................................................................... 33
1. Tüzeléstani számítások 1.1. A tüzelőanyagok és a levegő összetétele Az égés kémiai reakció, amelyben a reagensek az éghető anyag és az oxidálószer. Az éghető anyag komponensei (elemei) és az oxigén között lejátszódó kémiai reakciók határozzák meg a reagensek megfelelő mól- és tömegarányát, a kémia ezzel foglalkozó ága a sztöchiometria. Ahhoz azonban, hogy meg tudjuk határozni egy adott tüzelőanyag egységnyi tömegének vagy térfogatának elégetéséhez szükséges levegő mennyiséget ismernünk kell a reagensek összetételét. Egyszerűbb esetekben nem szükséges a tüzelőanyag elemi összetételének kiszámítása. Egykomponensű tüzelőanyagok esetén elegendő a kémiai felépítés ismerete (összegképlet). Kis molekulák, például metán esetén a számítás az alábbi szerint elvégezhető: Az égés sztöchiometriai egyenlete:
CH4 2O2 CO2 2H2O 1 kmol CH4 + 2 kmol O2 1 kmol CO2 + 2 kmol H2 O
Molszámokkal: Tömegekkel:
16 kg CH4 + 64 kg O2 = 44 kg CO2 + 36 kg H2 O (MC ≈ 12kg/kmol, MH ≈ 1kg/kmol, MO ≈ 16kg/kmol, MN ≈ 14kg/kmol)
A felírt egyenlet által ismertté válik a tüzelőanyag, az oxidálószer és az égéstermék mennyiségének aránya. Ennek alapján a további számítások elvégezhetőek, meghatározható az elméleti fajlagos levegőmennyiség és füstgázmennyiség. Nagyobb, összetett molekulák esetén célszerűbb az összegképlet alapján kiszámítani az alkotó elemek móltörtjeit vagy tömegtörtjeit, ezek egyúttal megadják a tüzelőanyag elemi összetételét. Többkomponensű anyagok esetében a kémiai felépítés mellett ismerni kell, hogy az egyes komponensek hányad részét teszik ki a tüzelőanyagnak. A komponensek szerinti összetétel mól-, tömeg- vagy térfogattörtben vagy százalékban adható meg. móltört:
az adott komponens anyagmennyiségét osztjuk az összes komponens anyagmennyiségének összegével
mólszázalék:
a mólszázalék a móltört 100-szorosa
tömegtört:
az adott komponens tömegét osztjuk az összes komponens össztömegével
tömegszázalék: a tömegszázalék a tömegtört 100-szorosa
térfogattört:
az adott komponens térfogatát osztjuk az összes komponens össztérfogatával
térfogatszázalék: a térfogatszázalék a térfogattört 100-szorosa
Gázok és folyadékok összetételét mólszázalékban vagy térfogatszázalékban szokták megadni. A térfogatszázalék nem használható közvetlenül a sztöchiometriai számításokhoz, ezért azt át kell számítani mól- vagy tömegszázalékra. Gázok esetében a műszaki számításoknál a térfogattörttel és a móltörttel kifejezett összetétel azonosnak tekinthető, a tömegtört és az elemi összetétel ezekből a számítható. Folyadékok esetében a térfogattört vagy térfogatszázalék átszámítása tömeg- vagy móltörtre illetve százalékra a következő jelenség figyelembevételével lehetséges. Az egymástól eltérő méretű molekulákból álló folyadékok elegyítésénél kontrakció lép fel, a kisebb molekulák a nagyobbak közé beékelődnek, így az alkotók térfogatának összege nagyobb, mint az elegy térfogata. A kontrakció mértéke kísérleti úton határozható meg. Szilárd anyagok összetételét célszerűen tömegszázalékban lehet megadni, de a gyakorlatban felhasznált tüzelőanyagok esetében az összetétel nagyon bonyolult, így az elemi összetétel számítással történő meghatározása nem célszerű. Ekkor tüzelőanyag-vizsgálat tudja megadni az elemi összetételt móltörtek vagy tömegtörtek formájában. C [kmol/kmoltüz.a.]
C [kg/kgtüz.a.]
H [kmol/kmoltüz.a.]
H [kg/kgtüz.a.]
S [kmol/kmoltüz.a.]
S [kg/kgtüz.a.]
O [kmol/kmoltüz.a.]
O [kg/kgtüz.a.]
N [kmol/kmoltüz.a.]
N [kg/kgtüz.a.]
n [kmol/kmoltüz.a.]
n [kg/kgtüz.a.]
h [kmol/kmoltüz.a.]
h [kg/kgtüz.a.]
A tüzelőanyag égéséhez oxigénre van szükség. Energetikai tüzelésekben tiszta oxigén helyett levegőt használunk. Ahhoz, hogy az égéshez szükséges levegőmennyiséget ki tudjuk számítani, ismernünk kell a levegő összetételét is. Ez megadható térfogatszázalékban (azonos a mólszázalékkal) vagy tömegszázalékkal. A levegő összetétele a sztöchiometriai számításokban: nitrogén
79 V/V% N2
76,8 m/m% N2
oxigén
21 V/V% O2
23,2 m/m% O2
Valójában ~1 V/V% Argont és egyéb nemesgázokat is tartalmaz.
1.2.Sztöchiometriai számítások Égési reakció: tüzelőanyag (C, H, S, O, N, n, h) + levegő→ égéstermék Ha a tüzeléshez oxigén helyett levegőt használunk, akkor a sztöchiometriai egyenletekben 1 kmol O2 mellett megjelenik 79/21= 3,762 kmol N 2 , 1 kg O2 mellett pedig 76,8/23,2 = 3,31 kg N 2 . Moláris tömegek:
Moláris térfogat:
Szén: MC = 12,0107 kg/kmol
Minden gázra: V m = 22,41 m3 /kmol
Hidrogén: MH = 1,00794kg/kmol
(a gázokat ideális gáznak tekintjük)
Kén: MS = 32,065 kg/kmol Oxigén: MO = 15,9994 kg/kmol Nitrogén: MN2 = 14,0067 kg/kmol A szén égése: Reakció: C + O2 = CO2 1 kmol C + 1 kmol O2 + 3,762 kmol N2 = 1 kmol CO2 + 3,762 kmol N2 12,0107 kg C + 31,9988 kg O2 + 105,916 kg N2 = 44,0095 kg CO2 + 105,916 kg N2 12,0107 kg C + 22,41 m3 O2 + 84,3064 m3 kg N2 = 22,41 m3 CO2 + 84,3064 m3 N2 1 kg C + 2,6642 kg O2 + 8,818 kg N2 = 3,6642 kg CO2 + 8,818 kg N2 1 kg C + 1,8658 m3 O2 + 7,0193 m3 N2 = 1,8658 m3 CO2 + 7,0193 m3 N2 A hidrogén égése: Reakció: 2 H2 + O2 = 2 H2O 2 kmol H2 + 1 kmol O2 + 3,762 kmol N2 = 2 kmol H2 O + 3,762 kmol N2 4,03176 kg H2 + 31,9988 kg O2 + 105,916 kg N2 = 36,03056 kg H2 O + 105,916 kg N2 4,03176 kg H2 + 22,41 m3 O2 + 84,3064 m3 N2 = 44,82 m3 H2 O + 84,3064 m3 N2 1 kg H2 + 7,9367 kg O2 + 26,27 kg N2 = 8,9367 kg H2 O + 26,27 kg N2 1 kg H2 + 5,5584 m3 O2 + 20,9106 m3 N2 = 11,1167 m3 H2 O + 20,9106 m3 N2 A kén égése: Reakció: S + O2 = SO2 1 kmol S + 1 kmol O2 + 3,762 kmol N2 = 1 kmol SO2 + 3,762 kmol N2 32,065 kg S + 31,9988 kg O2 + 105,916 kg N2 = 64,0638 kg SO2 + 105,916 kg N2 32,065 kg S + 22,41 m3 O2 + 84,3064 m3 N2 = 22,41 m3 SO2 + 84,3064 m3 N2 1 kg S + 0,9979 kg O2 + 3,303 kg N2 = 1,9979 kg SO2 + 3,303 kg N2 1 kg S +0,6989 m3 O2 + 2,6292 m3 N2 = 0,6989 m3 SO2 + 2,6292 m3 N2 Megj.: A kén égése során SO3 is megjelenik konverzió által.
1.3. Elméleti oxigén illetve levegőigény és elméleti füstgázmennyiség meghatározása A tüzelőanyag elemi összetételének ismeretében a sztöchiometriai számításoknál meghatározott konstansok segítségével meghatározható az égéshez szükséges elméleti oxigén illetve levegőigény valamint az égéssel keletkező fajlagos füstgázennyiség. A tüzelőanyag összetétele: szén
C [kg/kgtüz.a.]
hidrogén
H [kg/kgtüz.a.]
kén
S [kg/kgtüz.a.]
oxigén
O [kg/kgtüz.a.]
nitrogén
N [kg/kgtüz.a.]
nedvesség
n [kg/kgtüz.a.]
hamu
h [kg/kgtüz.a.]
A tüzelőanyag égéséhez szükséges elméleti fajlagos oxigénigény: [kg O2 /kg tüz.a.] [m3 O2 /kg tüz.a.] A tüzelőanyag égéséhez szükséges elméleti fajlagos levegőigény: [kg levegő /kg tüz.a.] [m3 levegő /kg tüz.a.] A levegőnedvesség figyelembevétele: [kg nedves levegő/kg tüz.a.] Fajlagos széndioxid mennyiség: [kg CO2 /kg tüz.a.] [m3 CO2 /kg tüz.a.] Fajlagos vízgőz mennyiség: [kg H2 O/kg tüz.a.] A levegőnedvesség figyelembevételével: [kg H2 O/kg tüz.a.] [m3 H2 O/kg tüz.a.] Fajlagos kéndioxid mennyiség: [kg SO2 /kg tüz.a.] [m3 SO2 /kg tüz.a.] Fajlagos nitrogén mennyiség: [kg N2 /kg tüz.a.] [kg N2 /kg tüz.a.]
Az égéssel keletkező fajlagos elméleti füstgázmennyiség: [kg fg/kg tüz.a.] [kg fg/kg tüz.a.] [m3 fg/kg tüz.a.] [m3 fg/kg tüz.a.] Az égéssel keletkező fajlagos elméleti száraz füstgázmennyiség: [kg száraz fg/kg tüz.a.] [m3 száraz fg/kg tüz.a.] Az egyenletekben meghatározott konstansok az alábbi táblázatokban megtalálhatóak, az elemi összetétel adatokat a megfelelő oszlop értékeivel szorozva és összegezve számíthatóak ki a fajlagos mennyiségek. Konstansvektorok tömegegységre vonatkoztatott fajlagos jellemzők számítására: C H S O N n h
O2 2.664 7.936 0.998 - 1.000 0 0 0
L0 11.484 34.209 4.301 - 4.310 0 0 0
CO2 3.664 0 0 0 0 0 0
H2 O 0 8.936 0 0 0 1.000 0
SO2 0 0 1.998 0 0 0 0
N2 8.820 26.273 3.303 - 3.310 1.000 0 0
Konstansvektorok térfogategységre vonatkoztatott fajlagos jellemzők számítására: C H S O N n h
O2 ' 1.864 5.560 0.698 - 0.700 0 0 0
L0 8.876 26.476 3.324 - 3.322 0 0 0
VCO2 1.8535 0 0 0 0 0 0
VH2O 0 11.120 0 0 0 1.240 0
VSO2 0 0 0.683 0 0 0 0
VN2 7.012 20.916 2.635 - 2.622 0.800 0 0
Gáznemű tüzelőanyagok esetén nem szükséges meghatározni az elemi összetételt, ha rendelkezésre áll a keverék gáz molekula-összetétele és minden alkotó szerepel a táblázatban. Ekkor a gáz molekula-összetétele alapján lehet meghatározni a fajlagos mennyiségeket, az átlagos sűrűséget és a fűtőértéket. A keverék gáz összetétele térfogat (yi ) vagy móltörtekben (xi ) ismert. A tömegegységre vonatkoztatott fajlagos jellemzők kiszámításához a korábban bemutatottak szerint lehet meghatározni a tömeg szerinti összetételt. Ismert: Mi…n és yi…n = x.i…n Mkeverék = xi ·Mi + …+ xn ·Mn …
Az így meghatározott összetétel adatokat a megfelelő oszlop értékeivel szorozva és összegezve számíthatóak ki a fajlagos mennyiségek. Konstansvektorok tömegegységre vonatkoztatott fajlagos jellemzők számítására: wi
gáz 0.716
O2 3.990
L0 17.196
CO2 2.743
H2 O 1.246
SO2 0
N2 13.207
Hi [kJ/kg] 50103
w CH4 w C2 H6 wC3 H8 w C4 H10
1.342 1.967 2.593
3.725 3.628 3.579
16.056 15.640 15.426
2.927 2.994 3.029
1.798 1.634 1.550
0 0 0
12.331 12.012 11.847
48005 47222 47687
w Cn Hm
2.503
3.423
14.751
3.183
1.285
0
11.328
46174
w CO
1.25
0.571
2.461
1.571
0
0
1.890
10098
wH2 w CO2
0.09
7.937
34.206
0
8.935
0
26.271
119766
1.977
0
0
1.000
0
0
0
0
wN2 wO2
1.251
0
0
0
0
0
1.000
0
1.428
- 1.000
- 4.310
0
0
0
- 3.310
0
wH2 S wH2 O
1.5384
1.409
6.071
0
0
1.880
4.662
386
0.804
0
0
0
1.000
0
0
0
A következő táblázat segítségével közvetlenül az alkotók térfogat szerinti összetételéből lehet maghatározni a fajlagos mennyiségeket. Konstansvektorok térfogategységre vonatkoztatott fajlagos jellemzők számítására: 9.524
VCO2 1.0
VH2 O 2.0
VSO2 0
VN2 7.524
Hi [kJ/ m3 ] 35874
3.5
16.666
2.0
3.0
0
13.166
64423
5.0
23.810
3.0
4.0
0
18.810
92887
6.5
30.952
4.0
5.0
0
24.452
123654
y Cn Hm
6.0
28.571
4.0
4.0
0
22.571
115575
y CO
0.5
2.381
1.0
0
0
1.881
12623
y H2
1.881
10779
yi
O2 '
L0 '
y CH4
2.0
y C2 H6 y C3 H8 y C4 H10
0.5
2.381
0
1.0
0
y CO2
0
0
1.0
0
0
0
0
y N2
0
0
0
0
0
1.000
0
y O2
- 1.0
- 4.762
0
0
0
- 3.762
0
y H2 S
1.5
7.143
0
1.0
1.0
5.643
594
y H2 O
0
0
0
0
0
0
0
1.4. Valós tüzelési körülmények figyelembevétele A tüzelőanyagok égése akkor teljes és tökéletes, ha minden tüzelőanyag-molekula reakcióba lép az oxidálószerrel és a végtermék tovább nem oxidálható. Mivel a tüzelés során a keveredés soha nem tökéletes, ezért többlet oxigén illetve levegő szükséges a teljes és tökéletes égéshez. A ténylegesen a tüzelőanyaghoz vezetett és az elméletileg szükséges levegő mennyiség hányadosa a légfelesleg-tényező. Ennek figyelembevételével az elméleti fajlagos mennyiségek ismeretében meghatározhatóak a tényleges fajlagos mennyiségek. Továbbá számításba kell venni, hogy valós körülmények között a füstgázba bekerül a tüzelőanyag hamutartalmának egy része, a pernye. A tüzelőanyag égéséhez szükséges fajlagos levegőigény: [kg lev/kg tüz.a.] [m3 lev/kg tüz.a.] A tüzelőberendezésben maradó salak mennyisége: [kg salak/kg tüz.a.] aholb a tüzelőtérben maradó hamu hányad (hamubekötési tényező) A tüzelés során keletkező fajlagos pernye mennyiség: [kg pernye/kg tüz.a.] Az égéssel keletkező fajlagos (nedves) füstgázmennyiség: [kg fg/kg tüz.a.] [m3 fg/kg tüz.a.] Az égéssel keletkező fajlagos száraz füstgázmennyiség: [kg fg/kg tüz.a.] [m3 fg/kg tüz.a.] A füstgáz normál sűrűsége: [kg /m3 ] A füstgáz összetétele: Széndioxid:
[kg CO2 /kg fg]
[m3 CO2 / m3 fg]
Vízgőz:
[kg H2 O/kg fg]
[m3 H2 O/ m3 fg]
Kéndioxid:
[kg SO2 / kg fg]
[m3 SO2 / m3fg]
Nitrogén:
[kg N2 / kg fg]
[m3 N2 / m3fg]
Levegő:
[kg levegő/ kg fg]
[m3 levegő/ m3fg]
Pernye:
[kg pernye/ kg fg]
[kg pernye/ m3fg]
1.5. Égéshő és fűtőérték közelítő számítása Folyékony és gáznemű tüzelőanyagok esetén az elemi összetétel ismeretében lehetőség van a fűtőérték közelítő meghatározására. Az elemi összetételből történő égéshő számításakor figyelembe kell venni, hogy a tüzelőanyagban lévő elemi alkotók egy része kötött formában van, így azok nem éghetők. Ennek megfelelően például a tüzelőanyag hidrogéntartalma két részre osztható: a) oxigénhez kötött (szerves molekulákban C xHy Oz) Feltételezzük, hogy valamennyi oxigén hidrogénhez kötött, így 16 g oxigén 2 g hidrogént tud lekötni. Hidrogénre vonatkoztatva 1 g hidrogén 8 g oxigént köt le. Így, ha a tüzelőanyagban lévő oxigén mennyiségének egy nyolcadát vesszük, akkor azt a hidrogén mennyiséget kapjuk meg, amelyet a tüzelőanyag oxigéntartalma tart lekötve éghetetlen formában. b) oxigénhez nem kötött, más néven diszponibilis hidrogén Diszponibilis hidrogéntartalom = összes hidrogéntartalom - 1/8 oxigéntartalom Hasonló módon a kén egy része is kötött formában van. Ezen megfontolások alapján a különböző tüzelőanyagokhoz felépítésben azonos, de számértékileg eltérő közelítő képletek léteznek. Szilárd és folyékony tüzelőanyagok égéshőjének számítására alkalmazhatópéldául az alábbi képlet:
O H s 33822 C 142180 H 9251 S [kJ/kg tüz.a.] 8 A fűtőérték kiszámításakor az égéshőből le kell vonni az égés során képződött és a tüzelőanyag nedvességtartalmából származó víz elpárologtatásához szükséges hőmennyiséget (2510 kJ/kg). Mivel 1 gramm hidrogén elégésekor 9 gramm vizet kapunk, a tüzelőanyag hidrogéntartalmát kilenccel megszorozva megkapjuk azt a vízmennyiséget, amely a hidrogén elégésekor keletkezik.
H i H s ( 9 H n ) rH 2O [kJ/kg tüz.a.] A fenti számításnak az a hátránya, hogy a tüzelőanyagot elemi éghető alkotórészekből álló keveréknek tételezi fel, holott az elemi komponensek különböző vegyületeket képeznek egymással. Ebből következően a számítás sok esetben csak közelítő eredményt ad. Ez különösen igaz a szilárd tüzelőanyagokra, ezért ezeknél a méréssel történő meghatározás a célszerű.
2. Füstgázelemzés és kiértékelés 2.1. Légfelesleg-tényező meghatározása füstgázelemzés alapján Az üzemi légfelesleg-tényező meghatározható a tüzelés során keletkező füstgáz oxigén illetve széndioxid koncentrációjának mérésével, és a következő számítások egyikével. Légfelesleg-tényező meghatározása oxigénmérleg alapján: é é
é
é
é
é
é
é
é é é
é é
Ha
akkor
é
Ha
akkor é é
Légfelesleg-tényező meghatározása karbonmérleg alapján:
é é
é
é é
é
é é é
é é
é
é
2.2.Nedves füstgázra vonatkoztatott koncentráció átszámítása száraz füstgázra vonatkoztatottra A nedves füstgázravonatkozó koncentráció értéket a következő egyenlet szerint kell átszámítani száraz füstgázra jellemző koncentrációra:
Vr i , száraz Vr i ,nedves
1 1 Vr H 2O
[ ppm ]
aholVri az i komponens térfogattörtje [ppm] A mért koncentrációkrendszerint száraz füstgázra vonatkoznak, a füstgázelemzést a vízgőztartalom kondenzáltatása után végzik. 2.3. Füstgázalkotó koncentrációjának meghatározott oxigéntartalomra történő átszámítása A mérési eredményeket az összehasonlíthatóság érdekében meg kell határozni, hogy mennyi lenne a különböző károsanyagok koncentrációja a füstgázban, ha a füstgáz oxigéntartalma egy adott érték lenne. Azaz a koncentrációkat át kell számítani egy meghatározott vonatkoztatási oxigéntartalomra. A vonatkoztatási oxigéntartalom a tüzelőanyagtól és a tüzelőberendezéstől függő érték. Az „i” összetevő kibocsátási értéke térfogattörtként kifejezve, például 3 % oxigéntartalmú, száraz füstgázra vonatkoztatva a következő:
Vr i ,3%,száraz Vr i , száraz
20,95 3 20,95 Vr O2 , száraz
[ ppm ]
ahol 20,95 V/V % a száraz környezeti levegő oxigéntartalma VrO2,száraz a füstgáz mért oxigéntartalma V/V %-ban 2.4. Füstgázalkotókmg/m3 -ben kifejezett koncentrációinak kiszámítása A különböző tüzelőberendezések károsanyag-kibocsátása nem haladhatja meg a rendeletekben meghatározott határértékeket. Ezek a megfelelő vonatkoztatási oxigéntartalomra számított károsanyag koncentrációk mg/m3 -ben.Az „i” összetevő mg/m3 -ben kifejezett koncentrációja például 3 % oxigéntartalmú, normál állapotú, száraz füstgázra vonatkoztatva a következő:
r i ,3%,száraz Vr i ,3%,száraz
Mi Vr i ,3%,száraz n Vm n
A moláris tömegeket (Mi ), a normál térfogatokat (Vmn ) és a normál sűrűségeket (n ) a következő táblázat tartalmazza. Moltömeg [kg/kmol]
Összetevő
Moltérfogat [m3 /kmol]
Normál sűrűség [kg/m3 ]
Elégetlen szénhidrogén (metán)
CH4
16,0427
22,38
0,7076
Nitrogén-dioxid
NO2
46,0053
22,41
2,0525
Szén-monoxid
CO
28,0104
22,4
1,2505
3. Elméleti égési hőmérséklet Az elméleti égési hőmérséklet meghatározásánál a következő feltételezésekkel kell élni:a tüzelőanyag égése adiabatikus körülmények között játszódik le, és a tüzelőanyagban kémiailag kötött energia teljes egészében megjelenik az égéstermékek hőtartalmában. A feltételezés alapján felírható hőteljesítmény-mérleg:
Q tüz Q tüz .a . Q lev Q fg A mérlegegyenlet felírásához meg kell határozni egy vonatkoztatási hőmérsékletet, ez általában a környezeti hőmérséklet, vagy 0°C. A tüzelőanyag és az oxigén reakciójából származó hőteljsítmény:
Q tüz m tüz H i A tüzelőanyag fizikai hőtartalmával bevitt hőteljesítmény:
Q tüz .a . m tüz c p tüz ( t tüz t 0 ) Az égéshez szükséges levegő fizikai hőtartalmával bevitt hőteljesítmény:
tüz L0 c plev ( tlev t 0 ) Q lev m A reakciótérből a füstgázzal kilépő hőteljesítmény:
tüz [ V ( 1 ) L0 ] c pfg ( telm. égési t 0 ) Q fg m Ennek alapján az elméleti, adiabatikus égési hőmérsékletet:
t elm. égési
Q fg m tüz [ V ( 1 ) L0 ] c pfg
t elm. égési t ad
t0
H i c ptüz ( t tüz t 0 ) L 0 c plev ( t lev t 0 ) [ V0 1 L 0 ] c pfg
Az elméleti égési hőmérsékletet befolyásoló tényezők: - tüzelőanyag fűtőértéke - levegő-előmelegítés - tüzelőanyag-előmelegítés - légfelesleg-tényező - füstgáz-recirkuláció
t0
4. Bunsen égő A Bunsen-égő a legrégebb óta használt laboratóriumi gázégő. Az éghető gáz (földgáz, propán-bután gáz) bevezetése a gáz minőségének megfelelő furatátmérőjű fúvókán keresztül történik. A fúvókából kilépő gáz szabadsugarat alkot, amelyet egy keverőcső vesz körül. A keverőcső alsó részén, a fúvóka magasságában szemközt két furat található a primer levegő bevezetéséhez. A szabadsugár a furatokon keresztül levegőt ragad magával, a gáz és a levegő elkeveredik. Az égőszájhoz már egy részlegesen előkevert éghető elegy jut el. A keverék gyulladása és égése egy vékony rétegben történik, a lángfrontban, ami megközelítőleg egy kúpfelületen helyezkedik el.
Bunsen-égő felépítése A primer levegő mennyiségének szabályozása a keverőcsövön lévő két furat szabad keresztmetszetének a változtatásával lehetséges. E célból a keverőcső alsó részére egy másik, rövidebb, szintén két nyílást tartalmazó csövecske illeszkedik, amely a keverőcsövön szabadon körbeforgatható, miáltal a beömlő szabad keresztmetszet változik. Az égőbe juttatható gáz mennyisége, és ezzel az égő teljesítménye bizonyos határok között a gázáram útjában elhelyezett tűszelep nyitásával vagy zárásával lehetséges. Adott gázáram esetén a primer levegő mennyiségének a változtatásával a gáz-levegő elegy minősége változtatható. A levegőbeömlő zárt állásánál a keverőcsőbe csak gáz jut, nincs előkeverés, sárgás-vörös színű, kormozó diffúziós láng alakul ki. A levegőnyílás nyitásával a gáz-levegő elegy előkeverése miatt az égés tökéletesebbé válik, a láng rövidül, színe világosodik. A sztöchiometriai levegő/gáz arány közelében a láng világoskék színű lesz. Ilyen viszonyok között érhető el a maximális lánghőmérséklet. Nagy mennyiségű primer levegő adagolás hatására a láng leszakadhat a keverőcső végéről, ha túlzottan lecsökken a gázban szegény keverékben a lángterjedési sebesség, miközben az áramlási sebesség növekszik.
A Bunsen égő lángjának vizsgálatával közelítőleg meghatározható egy adott gáz-levegő elegyben a normál lángterjedési sebesség. Ehhez a lángfronthoz érkező elégetlen gáz levegő elegy sebességkomponenseit kell megvizsgálni az alábbi ábra segítségével.
Lamináris lángfront a Bunsen égőn Az álló lángfront feltétele:
n wgl n
A láng félkúpszögét -vel jelölve:
wgl n wgl sin
és ezzel a lángterjedési sebesség:
n wgl sin
A kontinuitási egyenlet és az impulzusmérleg felírásával további összefüggéseket kaphatunk, amelyek segítségével meghatározható a keletkező füstgáz sűrűsége, hőmérséklete és a lángfrontra merőleges sebessége. Kontinuitási egyenlet:
m gl wgl n Akúp fg w fg n Akúp
gl wgl n fg w fg n Az áramlás gyorsul ( wgl n w fg n ) a lángfronton való áthaladás közben a termikus expanzió következtében, így gl fg . Ha p áll akkor
fg gl
Tgl T fg
Impulzusmérleg: (x irányra, a viszkózus hatás elhanyagolásával):
dw dp dx dx wx dw dp
wx w fg
n
ahol wx gl wgl n konst.
p fg
gl wgl n dw dp
wgl
n
pgl
gl wgl n w fg n wgl n p gl p fg p gl p fg w fg n wgl n gl wgl n
5. Tűztéri hőcsere és tartózkodási idő A tűztéri hőcsere számítás a következő egyszerűsítő gondolatmenet alapján történik. Először a kémiai reakció megy végbe, és a folyamat végén a hőtartalom a füstgázban marad, amely így az adott körülményekhez tartozó adiabatikus égési hőmérsékleten és entalpiával áll rendelkezésre. A továbbiakban az előző pontban meghatározott füstgáz sugárzásos hőcsere számítása történik. Ez az egyszerűsített modell nem a valós lezajlási viszonyokat tükrözi, az általa kapott eredmények viszont hasznosíthatók és jól követik a valóságot. A számítás a következő hőmérleg alapján történik:
A tüzeléssel bevitt hőteljesítmény megegyezik az adiabatikus égési hőmérsékletű füstgáz hőáramával:
ahol: fajlagos füstgázmennyiség [kg/kg] tüzelőanyag-áram [kg/s] A tűztérből kilépő füstgáz hőárama:
A tűztérben leadott hőteljesítmény így egyrészről a hőmérleg alapján, másrészről a sugárzásos hőcserét leíró Stefan-Boltzman törvény alapján számítható. A két hőmennyiségnek meg kell egyeznie.
ahol: Stefan-Boltzmann állandó (5,6787·10-8 W/(m2 ·K4 ) a tűztér és a láng kölcsönös emissziós tényezője [-] gáztüzelés esetén olajtüzelés esetén szilárdtüzelés esetén a tűztér méretétől, vagyis a sugárzó rétegvastagságától függően alakul. (Vastagabb sugárzó réteg nagyobb emissziós tényezőt eredményez.) a besugárzott felület [m2 ] A láng közepes hőmérsékletét általában az maximális (adiabatikus) és a kilépő hőmérséklet mértani közepével veszik egyenlőnek.
adiabatikus lánghőmérséklet [K] Sugárzás szempontjából lényeges különbség van a gázláng és a szilárd tüzelés lángja között. Az emissziós tényezőn a valóságos és az abszolút fekete test sugárzásintenzitás hányadosát értjük. Ha ez az arány függetlenül a hullámhossztól állandó, azt szürke sugárzásnak nevezzük. Tipikusan ilyen a szilárdtüzelés esetén létrejövő láng sugárzása. Ha az emissziós tényező értéke változik a hullámhosszal, azt színes sugárzásnak nevezzük. Ez a gáztüzelés, illetve gázsugárzás esete, ahol minden molekula a saját méretének megfelelő frekvenciával sugároz. Az olajtüzelés sugárzás szempontjából a szilárd és a gáztüzelés között helyezkedik el.
A kazánban eltüzelt tüzelőanyag mennyisége, vagyis a kazán terhelésváltozása nincs lényeges hatással a tűztéri hőcserére, mivel a sugárzásos hőcserét a láng, vagyis a reakció hőmérséklete határozza meg, ami a terheléstől nem függ. Így a kazán részterhelése esetén a sugárzásos hőcsere aránya növekszik a teljes hőcserén belül.
Tűztéri emissziós tényező változása különböző tüzelőanyagok és lángméretek esetén
Főként hulladékok eltüzelésénél fontos kérdés a füstgáz átlagos tűztéri tartózkodási ideje, mivel erre vonatkozóan előírásokat kell betartani. A tartózkodási idő számítása:
ahol tartózkodási idő [s] égéstér térfogata [m3 ] füstgáz térfogatáram az aktuális hőmérsékleten [m3 /s] füstgáz térfogatáram normálállapotú gáz esetén [m3 /s]
6. Számítási feladatok 1. feladat Határozza meg a dimetil-étert összetételét! Összegképlet:
C2 H6O
Az alkotók tömege:
2 kmol C = 24 kg C 6 kmol H = 6 kg H 1 kmol O = 16 kg O
Összesen:
9 kmol C+H+O = 46 kg C+H+O = 1 kmol C 2 H6 O
A móltörtek:
2/9 kmol C / kmol C2 H6 O 6/9 kmol H / kmolC2 H6 O
A tömegtörtek:
0,22 kmol C / kmol C2 H6 O →
0,66 kmol H / kmol C2 H6 O
1/9 kmol O / kmol C2 H6 O
0,11 kmol O / kmol C2 H6 O
---------------------------------24 kg C / 46 kg C2 H6 O
-----------------------------0,52 kg C / kg C2 H6 O
6 kg H / 46 kg C2H6 O
→
0,13 kg H / kg C2 H6O
16 kg O / 46 kg C2 H6 O
0,35 kg O / kg C2 H6O
2. feladat Határozza meg a PB gáz elemi összetételét! Ismert a PB gázban a propán és a bután móltörtje: Propán: C3 H8
xproán = ypropán = 0,4
Mproán = 44,10 kg/kmol
Bután: C4 H10
xbután = ybután = 0,6
Mbután = 58,12 kg/kmol
MP B = xpropán ·Mpropán + xbután ·Mbután = 52,512 kg/kmol
PB gáz alkotóinak elemi összetétele: Cpropán = 0,8171 kg C / kg propán
Cbután = 0,8266 kg C / kg bután
Hpropán = 0,1829 kg H / kg propán
Hbután = 0,1734 kg H / kg bután
PB gáz elemi összetétele: CP B = wpropán · Cpropán + wbután · Cbután = 0,8234 kg C / kg PB gáz HP B = wpropán · Hpropán + wbután · Hbután = 0,1766 kg H / kg PB gáz
3. feladat Határozza meg a 80 V/V%-os etanol-víz elegy elemi összetételét! A megoldáshoz szükség van egy kísérleti úton meghatározott V/V%- m/m% táblázatra vagy diagramra. Ebből meghatározható, hogy a 80 V/V% etanol-víz elegy 73,5 m/m% koncentrációjú. 100
m/m%
80 60
40 20 0 0
20
40 60 V/V%
80 100
Tehát wC2H6O = 0,735 és wH2O = 0,265. Az elemi összetétel számítása innentől azonos a PB gáznál bemutatottal. 4. feladat Határozza meg az alábbi összetétellel jellemezhető fa tüzelőanyag égéséhez szükséges elméleti levegőigényt és a keletkező fajlagos füstgázmennyiséget! Adatok: Tüzelőanyag:
fa
Tüzelőanyag áram: Hamubekötési tényező: Üzemi légfelesleg tényező: Pernyeleválasztó hatásfoka: A száraz tüzelőanyag elemi analízisének eredményei: Karbon: Hidrogén: Kén: Oxigén: Nitrogén: Hamu: Ellenőrző összeg: Nedvesség: (szárazanyagra vonatkozatott nedvesség tartalom)
Számítások: Nedves tüzelőanyag összetételének számítása:
Ellenőrző összeg: Fűtőérték és égéshő:
Tüzelési teljesítmény:
Fajlagos oxigén szükséglet:
Fajlagos levegőszükséglet:
Fajlagos széndioxid mennyiség:
Fajlagos kéndioxid mennyiség:
Fajlagos vízgőz mennyiség:
Fajlagos nitrogén mennyiség:
Fajlagos száraz füstgázmennyiség:
Fajlagos nedves füstgázmennyiség:
RO2max(
meghatározása:
Légfelesleg-tényező és valós körülmények figyelembe vételével számított jellemzők meghatározása Levegőszükséglet:
Fajlagos salakmennyiség:
Fajlagos pernyemennyiség:
Száraz füstgázmennyiség:
Nedves füstgázmennyiség:
A füstgáz normál sűrűsége:
Nedves füstgáz összetételének meghatározása CO2 koncentráció a füstgázban:
SO2 koncentráció a füstgázban:
H2 O koncentráció a füstgázban:
N2 koncentráció a füstgázban (égésből származó):
Levegő koncentráció a füstgázban:
Pernye (por, szilárdanyag) koncentráció a füstgázban:
Pernye(por, szilárdanyag) koncentráció a füstgázban a pernyeleválasztó után:
Egyéb károsanyagok koncentrációinak várható értékei a száraz füstgázban: Nitrogénoxidok: Szénmonoxid: Elégetlen szénhidrogének:
Károsanyag koncentrációk mg/m3 koncentrációra
átszámítása
Vonatkoztatási oxigéntartalom:
Vonatkoztatási légfelesleg-tényező:
Vonatkoztatási száraz füstgázmennyiség:
Kéndioxid koncentráció:
Nitrogénoxidok koncentrációja:
Szénmonoxid koncentráció:
Elégetlen szénhidrogének koncentrációja:
Szilárdanyag (por) koncentráció:
vonatkoztatási
oxigéntartalomra,
száraz
füstgázra
és
Határértékek Koncentráció értékek összevetése a 23/2001. (XI.13.) KöM rendelet 6. számú melléklete szerinti határértékekkel: A légszennyező anyagok várható kibocsátási értékei száraz (vízmentes), 273 K hőmérsékletű, 101,3 kPa nyomású, vonatkoztatási oxigéntartalmú füstgázra vonatkoznak. mg/m3
<
mg/m3
mg/m3
<
mg/m3
mg/m3
<
mg/m3
mg/m3
<
mg/m3
mg/m3
<
mg/m3
Kibocsátási értékek Széndioxid emisszió:
Kéndioxid emisszió:
Nitrogénoxidok emissziója:
Szénmonoxid emisszió:
Elégetlen szénhidrogén emisszió:
Pernye(por, szilárdanyag) emisszió:
A pernyeleválasztóból eltávolítandó pernye mennyisége:
A tüzelőberendezésből eltávolítandó salak mennyisége:
Összes szilárd hulladék:
5. feladat
Határozza meg az elméleti égési hőmérsékletet a következő esetekben! A. Alapeset Adatok: Tüzelőanyag áram: Tüzelőanyag hőmérséklete: Tüzelőanyag fajhője: Tüzelőanyag fűtőértéke: Tüzelőanyag hamutartalma: Hamubekötési tényező: Üzemi légfelesleg: Fajlagos elméleti levegőigény: Levegő hőmérséklete: Levegő fajhője: Fajlagos elméleti füstgázmennyiség: Füstgáz fajhője: Környezeti hőmérséklet: Számítások: Energiamérleg:
Adiabatikus lánghőmérséklet:
Füstgáz tömegárama:
°C
B. Füstgáz-recirkulációval kiegészített eset Adatok: Recirkuláltatott füstgáz hőmérséklete: Recirkuláltatott füstgáz arány:
Számítások: A levegő tömegárama:
Az elvezetett füstgáz tömegárama:
A recirkuláltatott füstgáz tömegárama:
A tűztérből kilépő füstgáz tömegárama:
Energiamérleg:
mert mert Adiabatikus lánghőmérséklet:
C. Oxyfuel tüzelés Adatok: Elméleti oxigén igény: Fajlagos CO 2 mennyiség: Fajlagos SO 2 mennyiség: Fajlagos H2 O mennyiség: Oxigén hőmérséklete: Oxigén fajhője: Füstgáz fajhője: Számítások: Fajlagos füstgázmennyiség:
Füstgáz tömegárama:
Adiabatikus lánghőmérséklet:
D. Oxyfuel tüzelés füstgáz-recirkulációval
Adatok: Recirkuláltatott füstgáz hőmérséklete: Recirkuláltatott füstgáz arány: Számítások: Füstgáz tömegárama:
Bevezetett hőteljesítmény:
Adiabatikus lánghőmérséklet:
6. feladat Egy Bunsen égőt 10 V/V % metán és 90 V/V% levegő keverékével működtetünk. A kialakuló lángkúp félszöge 30 o . Az elégetlen keverék átlagsebessége wgl 0,84 m/s , hőmérséklete t gl 21,1 oC , a
becsült nyomásesés a lángfronton p gl pt 1 / 100 Hgmm . Határozza meg a lamináris lángterjedési sebességet valamint az elégett gázok hőmérsékletét és sűrűségét! Megoldás: A lamináris lángterjedési sebesség:
n wgl n wgl sin 0,84 sin30 0,42
m s
A metán levegő reakció sztöchiometriai egyenlete:
79 79 CH 4 2 O2 N 2 CO2 2 H 2 O 2 N 2 21 21 nincs mólszám változás A metán levegő keverék átlagos móltömege:
A füstgáz átlagos móltömege:
M gl M fg Az gáz-levegő keverék sűrűsége:
gl
p gl M gl
Ro 8314,3
Ro Tgl
J kmol K
p gl patm p gl p fg 101325 1,334 [Pa]
gl
101325 1,334 27,7 1,148 kg 8314,3 21,1 273 m3
A füstgáz sebessége:
w fg n wgl n
p gl p fg
gl wgl n
0,42
1,334 m 3,19 1,148 0,42 s
A füstgáz sűrűsége:
fg gl
wgl n w fg n
1,148
0,42 kg 0,1511 3 3,19 m
A füstgáz hőmérséklete:
T fg
p fg M fg Ro fg
101325 27,7 2234 K 1961 oC 8314,3 0,1511
7. feladat Egy földgáztüzelésű nagyvízterű kazánban az 1 m átmérőjű 2 m hosszú lángcső és a 0,8 m átmérőjű láng között sugárzásos hőcsere történik. A lángcső fala 200 °C, a földgáz térfogatárama 0,05 m3 /s, sűrűsége 0,798 kg/m3 , a tüzelés során alkalmazott légfelesleg-tényező 1,1, a füstgáz fajhője 1,25 kJ/kgK. A számítás során a láng és a lángcső egymást burkoló, azonos hosszúságú hengerfelületeknek tekinthetők. Határozza meg a tűztérből kilépő füstgáz hőmérsékletét, és a tartózkodási időt! Adatok: Lángcső átmérője:
Dlcs 1 m
hossza:
Llcs 2 m
Lángcső falának hőmérséklete:
t fal 200C
Láng átmérője:
Dláng 0,8 m
Stefan-Boltzmann állandó:
0 5,669 10 8
Földgáz térfogatáram:
m Vtüz 0,05 s
Földgáz fűtőértéke:
H i 34000
Földgáz sűrűsége:
tüz 0,798
Tüzelőanyag és levegő hőmérséklete:
t tüz t lev t körny 15C
W m2 K 4
3
kJ m3 kg m3
L0
kg 14,6 kg
Elméleti fajlagos füstgázmennyiség:
V0
kg 15,6 kg
Légfelesleg-tényező:
1,1
Füstgáz fajhő:
c pfg 1,25
Elméleti fajlagos levegőigény:
L0 9,02
m3 m3
V0 10,02
m3 m3
kJ kg K
Dlángcső - D láng
0,6
0 0,2 0,6 1,0 2,0 3,0
0,4
0,2
0,4
0,8
1,2
1,6
2,0
2,4
2,8
3,2
Dláng [m]
Diagram a láng és a lángcső kölcsönös emissziós tényezőjének meghatározásához
Számítások: A feladat megoldása során a jól kevert tűztér modellt alkalmazzuk.
Láng burkolófelülete:
Dláng 2
Aláng 2
4
Dláng Llcs 6,032 m 2
A láng és a lángcső kölcsönös emissziós tényezője a diagram alapján:
0,22 Bevitt hőteljesítmény:
Q be Q tüz Vtüz H i 1700 kW Tüzelőanyag tömegárama:
tüz Vtüz tüz 0,0399 m
kg s
Füstgáz tömegárama:
fg m tüz ( V0 ( 1) L0 ) 0,681 m Füstgáz térfogatárama: 3
m V fg Vtüz (V0 ( 1) L0 ) 0,546 s Füstgáz sűrűsége:
fg
m fg kg 1,246 3 V m fg
Adiabatikus füstgázentalpia:
h fgad
Q fg m fg
Q be kJ 2497,5 m fg kg
Adiabatikus lánghőmérséklet:
t ad t fg
h fgad c pfg
1998C 2271 K
kg s
Tűztéri hőcsere első közelítése: Tűztérkilépő hőmérséklet:
t ttki1 1200C 1473 K Kilépő füstgáz entalpiája:
h fgki1 c pfg t ttki1 1500
kJ kg
A tűztér hőmérlege: Q Q Q be
s
ki
Sugárzásos hőcsere a tűztérben:
fg ( h fgad h fgki1 ) 678,96 kW Q s1 Q be Q ki m Átlagos lánghőmérséklet:
Tláng1 Tad Tttki1 1829 K Sugárzásos hőcsere a tűztérben: 4 4 Q s1 0 Aláng ( Tláng1 T fal ) 838,03 kW
Mivel a két egyenletből eltérő hőteljesítmény adódott (678,96 kW < 838,03 kW), ezért további iterációs lépésekre van szükség. Ha csökkentjük a felvett tűztérkilépő hőmérsékletet, akkor az első egyenletből adódó hőteljesítény növekszik, a második egyenletből adódó csökken, azaz a számított értékek egymáshoz közelítenek. Tűztéri hőcsere utolsó közelítése: Tűztérkilépő hőmérséklet:
tttki 2 1118,94C 1391,94 K Kilépő füstgáz entalpiája:
h fgki 2 c pfg t ttki 2 1398,68
kJ kg
Sugárzásos hőcsere a tűztérben:
fg (h fgad h fgki2 ) 747,93 kW Q sn m Átlagos lánghőmérséklet:
Tláng Tad Tttki 2 1777,93 K Sugárzásos hőcsere a tűztérben: 4 4 Q sn 0 Aláng ( Tláng2 T fal ) 747,93 kW
A két egyenlet azonos hőteljesítmény értéket adott, a valós tűztérkilépő hőmérséklet 1118,94 °C. Füstgáz átlagos tartózkodási ideje:
Vlcs V fg
Tláng 273
0,442 s
8. feladat
Határozza meg az alábbi adatokkal jellemzett esetben a füstgázból kondenzálódó víz tömegáramát, és az ebből származóhőteljesítményt, valamint a füstgázveszteséget! Adatok: Tüzelőanyag:
földgáz
Tüzelőanyag-áram: Tüzelőanyag tulajdonságai: Fűtőérték: Sűrűség: Elméleti fajlagos levegőszükséglet:
Elméleti fajlagos füstgázmennyiség:
Füstgáz jellemzői: Oxigéntartalom: Fajlagos vízgőztartalom:
Fajhő: Kilépő hőmérséklet: Környezet jellemzői: Hőmérséklet: Nyomás:
Számítások: Tüzelőanyag tömegárama:
Elméleti száraz füstgázmennyiség:
Légfelesleg-tényező: é é
Nedves füstgázmennyiség:
Vízgőz koncentrációja a füstgázban:
A füstgázban lévő vízgőz parciális nyomása:
A vízgőz parciális nyomásához tartozó telítési hőmérséklet (segédprogrammal meghatározva):
Vízgőz telítési nyomása a füstgáz hőmérsékletén (segédprogrammal meghatározva):
Telített vízgőz fajtérfogata a
Telített vízgőz fajtérfogata a
nyomáson (segédprogrammal meghatározva):
nyomáson (segédprogrammal meghatározva):
Fajlagos kondenzátum mennyiség:
Kondenzátum tömegárama:
Füstgázból kondenzálódó víz párolgáshőjet fg hőmérsékleten(segédprogrammal meghatározva):
A kondenzációból származó hőteljesítmény:
A füstgázveszeteség:
Tüzelési teljesítmény:
