Fakulta technologie ochrany prostředí Ústav plynárenství, koksochemie a ochrany ovzduší
Emisní charakteristiky směsí vodíku se zemním plynem Semestrální projekt
Autor: Petr Jíša Vedoucí práce: Ing. Daniel Tenkrát, Ph.D.
2009
Tato semestrální práce byla sepsána na Ústavu plynárenství, koksochemie a ochrany ovzduší.
Prohlašuji, že jsem semestrální práci vypracoval samostatně s vyznačením všech použitých pramenů a spoluautorství. Souhlasím se zveřejněním bakalářské práce podle zákona č. 111/1998 Sb., o vysokých školách, ve znění pozdějších předpisů. Byl jsem seznámen s tím, že se na moji práci vztahují práva a povinnosti vyplývající ze zákona č. 121/2000 Sb., autorský zákon, ve znění pozdějších předpisů.
................................
...............................
V Praze dne
Podpis
2
3
1
Úvod .................................................................................................................................... 5
2
Vliv přídavku vodíku do zemního plynu na jeho spalování a na tvorbu emisí
nejsledovanějších látek............................................................................................................... 6 2.1
Vliv vodíku na rychlost spalování.............................................................................. 6
2.2
Vliv přídavku vodíku na tvorbu emisí NOX,CO a HC ............................................... 8
2.2.1
Vliv přídavku vodíku na tvorbu emisí dusíkatých plynů (NOx) ............................ 9
2.2.2
Vliv přídavku vodíku na tvorbu emisí oxidu uhelnatého..................................... 10
2.2.3
Vliv přídavku vodíku na emise uhlovodíků ......................................................... 11
2.2.4
Vliv změny doby zapalování na emise NOX, HC a CO ....................................... 12
2.3 3
4
Vliv přídavku vodíku na tepelnou účinnost spalování ............................................. 16
Vliv přídavku vodíku do zemního plynu na některé jeho fyzikálně-chemické vlastnosti. 19 3.1
Vliv přídavku vodíku do zemního plynu na jeho výhřevnost .................................. 19
3.2
Joule-Thompsonův jev ............................................................................................. 20
3.3
Vliv přídavku vodíku na hustotu zemního plynu ..................................................... 22
Problematika záměnnosti plynných paliv.......................................................................... 23 4.1
Kritéria záměnnosti plynných paliv, Wobbeho číslo ............................................... 23
4.2
Rozšířené Wobbeho číslo, korigované Wobbeho číslo, Spalovací potenciál .......... 25
4.3
Obrazce záměnnosti jednotlivých skupin plynných paliv........................................ 26
4.4
Vliv přídavku vodíku do zemního plynu na Wobbeho index .................................. 27
4.5
Skupiny plynných paliv, efekt přídavku vodíku do zemního plynu ........................ 29
5
Závěr.................................................................................................................................. 34
6
Literatura ........................................................................................................................... 36
7
Seznam obrázků a tabulek ................................................................................................. 37
4
1
Úvod Předkládaná práce se zabývá problematikou přídavku vodíku do zemního plynu.
Předpokládá se totiž, že využití směsí zemní plyn-vodík může v budoucnu tvořit přechodné stadium od využití zemního plynu k vodíkovému hospodářství. Cílem této práce bylo vypracování literární rešerše na téma „Vlastnosti plynných směsí vodíku se zemním plynem“, tento oddíl představuje teoretickou část. Praktická část měla být tvořena provedením spalovacích zkoušek vybraných směsí vodíku se zemním plynem na plynových spotřebičích určených pro sektor domácností, analýzou výsledků a jejich kritickým zhodnocením. K realizaci praktické části ovšem nedošlo, a to z důvodu závady na aparatuře, kterou se nepodařilo v příslušném časovém fondu odstranit. Práce je tedy čistě teoretickým pojednáním o vlastnostech směsí zemní plyn-vodík, čerpající především z článků časopisu International Journal of Hydrogen Energy. Praktickou část zde alespoň zčásti supluje pojednání o problematice záměnnosti paliv, kde jsou uvedeny příklady výpočtů potřebných ke konstrukci diagramu záměnnosti pro směsi zemní plyn-vodík. S danou problematikou souvisí řada dalších problémů a oblastí, o kterých práce nepojednává – mezi ty patří například problematika vodíkové koroze. Dále zde není řešena otázka ekonomických aspektů tohoto způsobu zavedení vodíku do oblasti energetiky, do čehož spadá mimo jiné rozvaha rentability zavedení směsi zemního plynu s vodíkem jakožto paliva do motorových vozidel, popřípadě coby paliva pro domácnosti. Tyto úvahy již přesahují rozsah zadané práce.
5
2
Vliv přídavku vodíku do zemního plynu na jeho spalování a na tvorbu emisí nejsledovanějších látek V této kapitole jsou diskutovány efekty přídavku vodíku na některé spalovací
charakteristiky zemního plynu (rychlost spalování, tepelná účinnost) a také na množství emisí ve spalinách.
2.1 Vliv vodíku na rychlost spalování Přídavek vodíku do zemního plynu může mít pozitivní vliv na iniciaci spalovacích reakcí[3]. To je velmi žádoucí, pokud má směs být využívána například jako palivo pro pohon motorových vozidel. V současné době jsou v globálním měřítku sledovány emise zejména uhlíkatých plynů (CO,CO2), dusíkatých plynů (NOx), a emise uhlovodíků (označovaných souborně jako HC). Navíc se emisní limity pro tyto plyny neustále zpřísňují. V přímé návaznosti na tento fakt vznikají tendence ke spalování chudých směsí, neboť tím lze obecně emise těchto látek NOx, CO a HC, škodlivých pro životní prostředí, snižovat. Chudé směsi se vyznačují tím, že se při spalovacích procesech využívá přebytek vzduchu, tj. v zařízeních pro spalování (například v automobilových motorech) je využíváno větší množství vzduchu, než vyplývá ze stechiometrie spalovacích reakcí. Pro popis přebytku vzduchu je používán tzv. koeficient λ, definovaný jako poměr množství skutečně použitého vzduchu (nvzd,skut) a množství vzduchu, který by byl použit při dodržení stechiometrie spalování (nvzd,stech), tedy:
λ=
nvzd , skut nvzd , stech
(1)
Chudá směs je taková směs, pro kterou platí, že koeficient přebytku vzduchu λ > 1. Co se týče emisí NOx, dominantní efekt na zvyšování jejich koncentrace ve spalinách vykazuje teplota hoření – čím je vyšší, tím vyšší jsou emise dusíkatých plynů. Jelikož se stoupající hodnotou koeficientu λ klesá spalovací teplota směsi, je zřejmé, že spalování chudých směsí napomáhá snížení emisí NOx. Ohledně emisí oxidu uhelnatého (CO) lze říci, že spalování chudých směsí snižuje koncentrace tohoto plynu ve spalinách proto, že s přebytkem vzduchu dochází k dokonalejšímu spalování. Oproti spalování bohatých směsí se zde častěji uplatní reakce
6
2CO + O2 → 2CO2. Naproti tomu vzniká více CO2, který sice není jedovatý, avšak je pokládán za plyn způsobující skleníkový efekt a další nežádoucí jevy (vzrůst acidity mořské vody). Je nutné s tímto dopadem počítat a hledat řešení pro snížení emisí CO2. Efekt přebytku vzduchu na emise HC je podobný jako v případě CO – v důsledku dokonalejšího spalování se jejich koncentrace ve spalinách snižují. A také to má za následek zvýšení emisí CO2. Je nutné se zmínit ještě o dalších vlastnostech chudých směsí: za jejich výhodu je možné považovat i zvýšení odolnosti motorů proti klepání. Jejich nevýhodou je snížení spalovací rychlosti a zvýšení zápalné teploty spalované směsi, což je nevýhodou zejména pro použití ve vznětových motorech. Obecně pro chudou směs platí, že s nárůstem koeficientu λ roste energie potřebná k iniciaci spalovací reakce. Je tedy zřejmé, že ačkoli lze teoreticky problém s emisemi výše zmíněných látek řešit zvyšováním koeficientu λ, toto řešení by vyvolávalo i vedlejší efekty a dokonce (případ vznětových motorů) by nakonec mohlo vést k ještě větším emisím NOx v důsledku zvyšování zápalné teploty. Musela by být tudíž přijata určitá opatření vedoucí k potlačení nevýhod práce s chudými směsmi. Tuto možnost nabízí právě přídavek vodíku, neboť má pozitivní efekt na iniciaci spalovacích reakcí. V přímém důsledku přídavek vodíku zvyšuje spalovací rychlost a snižuje zápalnou teplotu spalované směsi. Výsledky měření zabývajícího se touto problematikou[3] shrnují obrázky 2a a 2b. Jde o grafy vytvořené vynesením hodnot λ proti úhlu (CA deg), který opsala kliková hřídel zkušebního motoru od okamžiku zážehu do okamžiku, kdy bylo ve válci spáleno 98% obj. paliva. Měření probíhalo při konstantních otáčkách hřídele 1200 min-1 (aby byl výsledek udávaný jako úhel otočení klikové hřídele směrodatný) a zážeh byl proveden vždy v okamžiku, kdy se hřídel odchýlila o 30° od startovní polohy. Na obrázku 1a je zachyceno měření probíhající za tlaku 50 kPa, na obrázku 1b je zachyceno měření probíhající za tlaku 105 kPa, ostatní charakteristiky zůstávají nezměněny. Je patrné, že čím větší byl podíl vodíku v palivu (zde udávaný jako objemová koncentrace vodíku v čistém vzorku paliva), tím rychleji došlo k vyhoření daného množství paliva při určeném přebytku vzduchu, a to v celém rozsahu naměřených hodnot. Další závěr, který je možno učinit je, že s vyšším tlakem je možné použít také vyššího přebytku vzduchu pro docílení stejného efektu.
7
Obrázek 1. Vliv přídavku vodíku na dobu hoření při konstantních otáčkách motoru při tlaku vstřikování paliva 50 kPa (a) a 105 kPa (b) Zdroj: [3]
Pozitivní efekt přídavku vodíku na iniciaci spalovacích reakcí a tím i na nárůst spalovací rychlosti byl tedy experimentálně prokázán, avšak přímý vliv přídavku vodíku na emise je složitější problém a bude diskutován v dalších kapitolách. .
2.2 Vliv přídavku vodíku na tvorbu emisí NOX,CO a HC Diskuse vlivu přídavku vodíku na tvorbu emisí NOX, CO a HC vychází z měření provedeného za konstantních podmínek[3]. V podstatě se jedná o podmínky, za kterých byla
8
měřena charakteristika vlivu přídavku vodíku na rychlost spalování. Měření probíhalo za konstantních otáček zkušebního motoru 1200 min-1, konstantního tlaku vstřikování paliv 105 kPa a rovněž doba zážehu byla stejná při měření emisí NOX, CO i HC. Zážeh palivové směsi probíhal vždy v okamžiku, kdy poloha klikové hřídele dosáhla úhlu 30˚ vůči poloze odpovídající horní úvrati. Ve všech grafech na obrázcích 2,3,4 reprezentuje x-ová osa vždy koeficient přebytku vzduchu λ a y-ová osa vždy úhrnnou hmotnost emisí zkoumané látky, které by za daných podmínek vznikly, kdybychom chtěli získat 1 kWh energie. Symbol MAP znamená tlak vstřikování paliva do motoru (manifold absolute pressure), spark timing dobu zážehu udanou jako úhel, který zbývá klikové hřídeli do polohy odpovídající horní úvrati (BTDC – before top dead center). 2.2.1
Vliv přídavku vodíku na tvorbu emisí dusíkatých plynů (NOx)
Vliv přídavku vodíku na tvorbu emisí dusíkatých plynů[3] je dobře patrný z obrázku 2. Je z něj patrné, že zpočátku, pohybujeme – li se přibližně v rozmezí hodnot λ = 1 až λ = 1,2, emise NOx se zvyšují a to pro každý stupeň obohacení vodíkem. Po překonání tohoto maxima se emise opět snižují a okolo λ = 1,7 klesají pod hodnotu 10g/kWh u všech testovaných směsí. Je ovšem také vidět, že při dané hodnotě koeficientu λ je množství tvořících se emisí dusíkatých plynů tím vyšší, čím vyšší je obsah vodíku v palivu. Tento jev je vysvětlován následovně: Při vyšším přebytku vzduchu se snižuje množství NOx v důsledku pomalejšího hoření, ovšem přídavek vodíku do paliva, jak již bylo ukázáno, rychlost hoření naopak zvyšuje. Jak je vidět z obrázku 2, efekt přídavku vodíku na rychlost hoření je výraznější než efekt zvyšování koeficientu λ na rychlost hoření. V tomto případě tedy přídavek vodíku nepůsobí pozitivně co se týče emisí NOx.
9
Obrázek 2. Zdroj:[3]
2.2.2
Vliv přídavku vodíku na emise NOx
Vliv přídavku vodíku na tvorbu emisí oxidu uhelnatého
Vliv přídavku vodíku na tvorbu emisí CO[3] je zachycen na obrázku 3. Množství emisí CO vykazuje pokles až do určité hodnoty koeficientu λm, po jehož překročení nastává prudký nárůst množství produkovaných emisí v závislosti na dále se zvyšující hodnotě koeficientu λ. Tato hodnota λm se liší podle obsahu vodíku v palivu, v obrázku jsou tyto rozdílné koeficienty odlišeny - λm_CWG představuje hodnotu pro čistý zemní plyn bez přídavku vodíku, λm_10% reprezentuje hodnotu pro zemní plyn s 10% obsahu vodíku, λm_30% znamená hodnotu pro zemní plyn s 30%, λm_50% hodnotu pro zemní plyn s 50% obsahu vodíku. Z porovnání těchto avizovaných, v grafu označených hodnot je zřejmé, že λm_CWG < λm_10% < λm_30% < λm_50%. Při vyšším obsahu vodíku v palivu je tedy hodnota přebytku vzduchu, po jehož překročení začnou prudce stoupat emise oxidu uhelnatého, vyšší. Pro λ > λm_CWG tedy platí, že čím větší je obsah vodíku v palivu, tím méně emisí se vytváří, a tento efekt je (viz pouhý pohled na graf) velmi výrazný. Pro λ < λm_CNG není vliv přídavku vodíku podstatný.
10
Obrázek 3.
Vliv přídavku vodíku na emise CO
Zdroj: [3]
2.2.3
Vliv přídavku vodíku na emise uhlovodíků
Z obrázku 4 lze vyčíst vliv přídavku vodíku do zemního plynu na tvorbu emisí uhlovodíků[3](HC). Je patrné, že zvyšujeme-li koeficient přebytku vzduchu λ, emise uhlovodíků zpočátku klesají, až dosáhnou při určité hodnotě přebytku svého minima. Rovněž je vidět, že koeficient λ odpovídající tomuto minimu je různý, měníme-li obsah vodíku v palivu – čím vyšší je obsah vodíku, tím vyšší je hodnota koeficientu přebytku vzduchu, ve které množství emisí uhlovodíků dosahuje svého minima. Po překročení této individuální mezní hodnoty nastává v závislosti na zvyšujícím se koeficientu λ nárůst tvorby emisí HC, ale jeho rychlost je opět výrazně ovlivněna obsahem vodíku v palivu. Čím větší podíl vodíku obsahuje palivo, tím pomalejší je nárůst tvorby emisí HC se zvyšujícím se koeficientem λ. Především však, jak je vidět z obrázku na první pohled, pro danou hodnotu λ vždy nejvyšší množství uhlovodíkových plynů produkuje čistý zemní plyn, nižší množství plyn s obsahem 10% obj. H2, ještě nižší množství plyn s obsahem 30% obj. H2 a zcela nejnižší plyn s 50% obj. H2. V celém rozsahu naměřených hodnot.
11
Obrázek 4.
Vliv přídavku vodíku na emise HC
Zdroj: [3]
2.2.4
Vliv změny doby zapalování na emise NOX, HC a CO
Výsledky dalších experimentů[5] ukázaly, že spalujeme-li zemní plyn více nebo méně obohacený vodíkem, množství emisí tvořících se při spalovacích procesech nezávisí striktně pouze na přebytku vzduchu a obsahu vodíku v palivech, ale také na době zapalování. V předchozích experimentech byla doba zapalování (doba, kdy zažehneme směs ve válci elektrickou svíčkou) stále konstantní a vliv tohoto faktoru na tvorbu emisí se neprojevoval. Přitom je velmi důležitý hlavně pro vývin emisí NOx, jejichž produkce je přísně sledována. Výsledky experimentu pro NOx, CO a HC dokumentují obrázky 5, 6 a 7. Jsou zde zazanamenány hodnoty koncentrací emisí ve spalinách v ppm (NOx concentration) v závislosti na době zážehu (spark ignition timing), přičemž doba zážehu je udána jako CA BTDC (crank angle before top dead centre), což je úhel klikové hřídele v momentě zážehu vůči poloze odpovídající horní úvrati udaný ve stupních. Všechna měření probíhala za konstantního koeficientu přebytku vzduchu λ = 1,3 . Údaj uvedený u všech grafů jako MAP je tlak, pod kterým byla jednotlivá paliva do motoru vstřikována, zkratka pochází z anglického manifold absolute pressure. Experiment byl jak pro NOx, tak pro CO a HC prováděn při dvou různých MAP, a to MAP = 87 kPa a MAP = 120 kPa. Jako zkušební paliva byly využity čistý zemní plyn – v grafech označen jako CNG, a zemní plyn s obsahem 10,20,30,40 a 50% vodíku.
12
Co se týče dopadu změny doby zážehu na množství emisí NOx ve spalinách na výstupu z motoru, z obrázku 5 je možné vypozorovat, že čím později dojde k zážehu, tím menší bude koncentrace emisí NOx v motorových spalinách. Stále bude platit, že čím více vodíku bude v zemním plynu obsaženo, tím také bude při dané době zážehu vyšší koncentrace oxidů dusíku ve spalinách. Ale také je zřejmé, že pokud bude spalovaná směs obsahovat větší množství vodíku, můžeme tento nepříznivý trend kompenzovat tím, že upravíme dobu zážehu vůči pracovnímu cyklu motoru v tom smyslu, aby zážeh proběhl později. Dále je dobré si povšimnout, že se zvyšující se hodnotou MAP se při dané době zážehu zvyšují koncentrace emisí NOX ve spalinách. Co se týče dopadu změny doby zážehu na množství emisí uhlovodíků a emisí oxidu uhelnatého, podle obrázku 6 a obrázku 7 je velmi podobný jako v případě NOx. Jak pro emise HC, tak pro emise CO platí, že čím dříve proběhne zážeh, tím menší množství emisí vzniká a také vliv tlaku na množství emisí je stejný jako v případě NOx. Jediný rozdíl je v tom, že při daném koeficientu přebytku vzduchu λ = 1,3 můžeme říci, že pro konstantní dobu zážehu platí: Čím větší podíl vodíku je obsažen v daném palivu, tím nižší množství emisí CO a HC vzniká. U emisí NOx tomu bylo naopak. Úprava doby zážehu, která by byla prováděna s cílem snížit emise oxidů dusíku by tedy mohla být využita za současného snížení emisí CO a HC, což je žádoucí.
13
Obrázek 5. Zdroj: [5]
Vliv doby zážehu na množství emisí NOx pro různé přídavky vodíku
14
Obrázek 6.
Vliv doby zážehu na množství emisí CO pro různé přídavky vodíku
Zdroj: [5]
15
Obrázek 7.
Vliv doby zážehu na množství emisí HC pro různé přídavky vodíku
Zdroj: [5]
2.3
Vliv přídavku vodíku na tepelnou účinnost spalování Zvyšování koeficientu přebytku vzduchu λ má efekt na tepelnou účinnost
spalování[3]. Pro čistý zemní plyn platí, že tepelná účinnost spalování v zážehových motorech s rostoucím koeficientem λ zpočátku vzrůstá, až dosáhne svého maxima pro λ ≈ 1,7 a po dosažení tohoto maxima s dalším ochuzováním směsi tepelná účinnost spalování již klesá. Vliv přídavku vodíku na průběh tepelné účinnosti v závislosti na koeficientu přebytku vzduchu λ je patrný z obrázku 8. Je evidentní, že přídavek vodíku má za následek posun maxima tepelné účinnosti směrem k vyšším hodnotám λ a z toho vyplývá, že i v tomto ohledu je vyšší zastoupení vodíku v zemním plynu žádoucí – umožňuje efektivněji využít směsi
16
s koeficientem λ větším než 1,7. Na druhou stranu, pro směsi s koeficientem λ menším než 1,7 není zastoupení vodíku podstatné, naměřené hodnoty nevykázaly podstatné rozdíly mezi čistým zemní plynem a zemním plynem s přídavkem vodíku. Symboly v obrázku λm_CWG, λm_10%, λm_30%, λm_50% označují pro každé složení hodnotu koeficientu λ, pro kterou tepelná účinnost dosahuje hodnoty 0,32. Co se týče symboliky u obrázku, veškeré pojmy byly již vysvětleny v oddíle 1.2.
Obrázek 8.
Vliv přídavku vodíku na tepelnou účinnost spalování
Zdroj: [3]
17
18
3
Vliv přídavku vodíku do zemního plynu na některé jeho fyzikálněchemické vlastnosti
3.1 Vliv přídavku vodíku do zemního plynu na jeho výhřevnost Výhřevnost paliva je pojmem odvozeným od pojmu spalné teplo. Spalné teplo je definováno jako teplo, které se uvolní spálením definovaného množství paliva za normálních podmínek (tlak 101 325 Pa, teplota 15°C), přičemž produkty spalování jsou spaliny v plynné fázi a voda v kapalné fázi. V praxi ovšem zpravidla nedochází k jevům, při kterých by produktem spalování byla voda v kapalné fázi (výjimku tvoří samozřejmě kondenzační kotle), proto byl zaveden pojem výhřevnost paliva. Výhřevnost paliva je definována jako teplo, které se uvolní spálením definovaného množství paliva za normálních podmínek, přičemž produkty spalování jsou spaliny v plynné fázi a vodní pára. Pro výhřevnost platí, že její hodnota je menší o hodnotu výparného tepla vody obsažené v palivu. Hovoříme-li o výhřevnosti plynných paliv, nejčastěji používanou jednotkou je MJ/m3. Podle výhřevnosti dělíme paliva do 4 kategorií, jak je uvedeno v tabulce 1: Tabulka 1: Dělení paliv do skupin podle výhřevnosti: Výhřevnost Označení paliva 3 (MJ/m ) nízkovýhřevné <16,8 16,8-20,0 středněvýhřevné 20,0-80,0 velmi výhřevné vysocevýhřevné >80,0
Zástupce Vodík Svítiplyn Zemní plyn Propan-butan
Zemní plyn se svou výhřevností 32,97 MJ/m3 spadá do kategorie velmi výhřevných paliv, zatímco vodík se svou výhřevností 10,22 MJ/m3 je palivem nízkovýhřevným. Z toho plyne, že přídavkem vodíku do zemního plynu se výhřevnost „nového“ paliva bude zmenšovat. Charakteristiku závislosti výhřevnosti zemního plynu na obsahu vodíku dává graf na obrázku 9 – jsou v něm vyneseny hodnoty výhřevnosti v MJ/m3 proti hodnotám objemových procent vodíku v zemním plynu[4]. Je z něj patrné, že výhřevnost zemního plynu klesá s obsahem vodíku lineárně.
19
Obrázek 9.
Vliv přídavku vodíku na výhřevnost zemního plynu
Zdroj: [4]
3.2 Joule-Thompsonův jev Přídavek vodíku do zemního plynu nezanedbatelnou měrou ovlivňuje průběh JouleThomsonova jevu. Joule-Thomsonův jev je definován jako změna teploty plynu vyvolaná změnou jeho tlaku, základní definici poskytuje tzv. diferenciální Joule-Thompsonův koeficient daný vztahem:
μ JT = (
∂T )H ∂p Joule-Thompsonův jev se uplatňuje například při proudění plynu úzkou tryskou
(škrcení plynu). Zemní plyn je tvořen zejména methanem, jehož Joule-Thompsonův koeficient je za teplot aplikovaných při běžných technologických procesech kladný, což znamená, že při stoupajícím tlaku stoupá také jeho teplota a naopak. Důsledky takového chování jsou nežádoucí zejména proto, že zemní plyn obsahuje také uhlovodíky těžší než methan, dokonce uhlovodíky se čtyřmi a více uhlíkovými atomy. Ty mohou vlivem poklesu teploty měnit své skupenství na kapalné (kondenzovat). Naproti tomu vodík vykazuje opačnou tendenci, jeho Joule-Thompsonův koeficient je za běžných provozních teplot záporný a tak se stoupajícím tlakem jeho teplota klesá a naopak. Tato skutečnost musí mít vliv na chování směsi tvořené zemním plynem s přídavkem vodíku.
20
Obecně je působení Joule-Thompsonova efektu na zemní plyn nežádoucí. Při dopravě zemního plynu z místa těžby na velké vzdálenosti je využíváno vysokotlakých potrubí. Na regulačních stanicích potom probíhá expanze zemního plynu (snižování tlaku), přičemž se, jak již bylo uvedeno, uplatňuje Joule-Thompsonův efekt, teplota plynu klesá a mohou nastat již zmíněné problémy. Vliv přídavku vodíku na Joule-Thomsonův jev demonstrují tabulky 4 a 5. Při měření [7] byly zkoumány dva typy zemního plynu s různým složením. V tabulce 4 je podchycen efekt přídavku vodíku na zemní plyn s původním složením: 82,5% CH4, 11,7% N2, 1,1% CO2, 3,5% C2H6, 0,75% C3H8, zbytek je tvořen uhlovodíky s více než třemi atomy uhlíku. Tento typ zemního plynu byl označen jako „lean gas“ (chudý plyn), protože obsahuje nižší molární podíl uhlovodíků. Tabulka 5 zachycuje efekt přídavku vodíku na zemní plyn s původním složením: 85,5% CH4, 0,5% N2, 1,8% CO2, 8,5% C2H6, 2,7% C3H8, zbytek tvoří uhlovodíky s počtem atomů uhlíku větším než 3. Tento typ zemního plynu byl označen jako „rich gas“ (bohatý plyn), protože obsahuje vyšší molární podíl uhlovodíků.Údaje o složení obou typů zemního plynu jsou uvedeny v molárních procentech a jedná se pochopitelně o složení zemního plynu před přídavkem vodíku. Hodnoty v tabulkách se pak vztahují k těmto typům zemního plynu obohaceným vodíkem tak, že obsahují 25% mol. H2. V obou tabulkách vždy p1 symbolizuje tlak před expanzí a p2 tlak po expanzi. ΔT značí pokles teploty při přechodu z tlaku p1 na tlak p2. Tabulka 4: Joule–Thompsonův efekt pro chudý plyn[7] Plyn Teplota (K) p1 (bar) 280 60 30 Zemní plyn 8 60 290 60 280 60 30 Zemní plyn + 8 25% H2 60 290 60
21
p2 (bar) 40 8 1 8 40 40 8 1 8 40
ΔT (K) 9,5 11,9 3,6 27,6 8,8 5,8 7,0 2,3 16,5 5,4
Tabulka 5: Joule-Thompsonův efekt pro bohatý plyn[7] Plyn Teplota (K) p1(bar) 280 60 30 Zemní plyn 8 60 280 60 Zemní plyn + 30 25% H2 8 60
p2(bar) 40 8 1 8 40 8 1 8
ΔT (K) 12,1 14,2 4,4 35,9 7,2 8,8 2,8 20,8
Přídavek vodíku do zemního plynu působí zmírnění Joule-Thompsonova efektu (pokles hodnoty Joule-Thompsonova koeficientu) – pokles teploty při daném snížení tlaku není tolik drastický jako v případě neobohaceného zemního plynu.
3.3 Vliv přídavku vodíku na hustotu zemního plynu Přídavek vodíku do zemního plynu má za následek rovněž změnu jeho hustoty. Hustota je důležitým parametrem zemního plynu z hlediska dopravy a bezpečnosti, je nutné přizpůsobit jí například tloušťku potrubí, aby byla eliminována rizika při přepravě tímto způsobem. Obrázek 10 ukazuje vliv přídavku vodíku na hustotu zemního plynu. Výpočty hodnot jsou pořízeny pomocí výpočtu dle normy ČSN ISO 6976. Hodnoty hustoty platí pro teplotu 15°C a složení zemního plynu odpovídá podmínkám v České republice (zemní plyn ruského typu). Je z něj vidět, že hustota zemního plynu s přídavkem vodíku klesá v závislosti na molárním procentu vodíku v něm lineárně.
22
0,8 0,7
ρ (kg.m-3)
0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0
10
20
30
40
50
60
70
%H2
Obrázek 10. Obrázek 15: Vliv přídavku vodíku na hustotu zemního plynu Zdroj: Výpočet dle [8]
4
Problematika záměnnosti plynných paliv Záměnnost plynných paliv je vlastnost, umožňující náhradu jednoho druhu plynného
paliva jiným plynným palivem[6]. Obecně je možno říci, že většina druhů plynných paliv je při splnění určitých podmínek vzájemně zaměnitelná. Rozdílné spalovací vlastnosti jednotlivých druhů plynných paliv, zejména výhřevnost a spalovací rychlost, však vyžadují při vzájemné záměně provedení určitých úprav hořáků a spotřebičů pro bezpečné a ekonomické spalování. Z hlediska náročnosti úprav spotřebičů při vzájemné záměně se plynná paliva rozdělují na záměnná, tj. taková, která lze vzájemně nahradit bez nutnosti jakékoli úpravy nebo výměny hořáků či spotřebičů, a na paliva, při jejichž vzájemné záměně je nezbytné provést úpravu, či výměnu hořáků nebo spotřebičů. Způsoby hodnocení záměnnosti plynných paliv jsou vypracovány především s ohledem na jejich spalování v domácích spotřebičích, neboť tyto spotřebiče jsou ze všech spotřebičů nejcitlivější na změny spalovacích vlastností.
4.1
Kritéria záměnnosti plynných paliv, Wobbeho číslo Základní podmínky, které je nutno při záměně dvou druhů plynných paliv splnit, jsou: 1) Zachování původního tepelného příkonu spotřebiče. 2) Dokonalé spalování nového plynného paliva. 3) Stabilní hoření nového plynného paliva v celém regulačním rozsahu.
23
Z podmínky zachování původního tepelného příkonu spotřebiče se lze propracovat k nejdůležitějšímu a nejvyužívanějšímu kritériu záměnnosti plynných paliv, Wobbeho číslu [6]. Průtok plynného paliva tryskou plynového hořáku lze vyjádřit jako:
V ph = F ⋅ w ⋅
3000 (2) , 10 6
kde Vph ….. Průtok plynného paliva tryskou plynového hořáku. [Vph] = m3.h-1 F …….. Výtokový průřez plynové trysky, [F] = mm2 W ……. Výtoková rychlost plynného paliva z trysky [w] = m.s-1 Dále je možno vyjádřit rychlost výtoku plynného paliva z trysky následovně:
w =ϕ⋅
2 ⋅ Δp
ρ
(3) ,
kde φ ……. Rychlostní součinitel plynové trysky (bezrozměrné číslo) ρ ……. Hustota plynného paliva [ρ] = kg.m-3 Δp …... Přetlak plynného paliva před tryskou [p] = Pa Kombinací rovnic (číslo) a (číslo) získáme následující: PD = F ⋅ ϕ ⋅
2 ⋅ Δp Qn (4) , ⋅ ρ 10 6
přičemž PD …… Příkon spotřebiče [PD] = kW Qn …… Výhřevnost paliva [Qn] = kJ/m3 Využijeme-li podmínky zachování tepelného příkonu spotřebiče PD1 = PD2, získáme následující: F ⋅ϕ ⋅
2 ⋅ Δp Qn1 2 ⋅ Δp Qn = F ⋅ϕ ⋅ (5) ⋅ ⋅ 6 10 10 6 ρ1 ρ2
a po zkrácení obdržíme: Qn1
ρ1
=
Qn 2
ρ2
(6)
Podmínka (číslo) byla poprvé formulována G.Wobbem ve tvaru:
Qv
= konst. (7) , d kde Qv …… Spalné teplo paliva [Qv] = kJ/m3 24
d ……... Poměrná hustota plynného paliva (bezrozměrné číslo) d =
ρn 1,293
Výraz: Wv =
Qv
(8)
d
se potom nazývá Wobbeho číslo a je to základní kritérium pro posuzování záměnnosti plynných paliv.
4.2 Rozšířené Wobbeho číslo, korigované Wobbeho číslo, Spalovací potenciál Rozšířené Wobbeho číslo je definováno vztahem: Δp (9) d Toto číslo je důležité, protože zahrnuje do podmínky zachování tepelného příkonu i
W r = Qv
změnu tlaku plynného paliva – vyjadřuje možnost korekce rozdílných hodnot základních Wobbeho čísel zaměňovaných plynných paliv změnou jejich tlaku. Korigované Wobbeho číslo se stanoví z rovnice: Wk = K 1 ⋅ K 2 ⋅
Qv d
(9) ,
kde K1 …… Korekční faktor závisející na součtu spalných tepel uhlovodíků, vyšších než methan, obsažených v plynném palivu 1000 K2 …… Korekční faktor závisející na hodnotě (CO + 4 ⋅ O2 + 0,5 ⋅ CO2 ) Qv Qv …… Spalné teplo paliva [Qv] = kJ/m3 d ……... Poměrná hustota plynného paliva (bezrozměrné číslo) d =
ρn
1,293
CO ........Obsah oxidu uhelnatého v molárních procentech O2 ........ Obsah kyslíku v molárních procentech CO2 ......Obsah oxidu uhličitého v molárních procentech Spalovací potenciál pro paliva typu zemní plyn se stanoví z rovnice: c =u⋅
H 2 + 0,3 ⋅ CH 4 + 0,7 ⋅ CO + v ⋅ ∑ ai ⋅ C x H y d
(10),
kde u …… Korekční faktor závislý na obsahu kyslíku v plynném palivu v …… Korekční faktor závislý na korigovaném Wobbeho čísle H2 ..... Obsah vodíku v plynném palivu v molárních procentech CH4 .. Obsah methanu v plynném palivu v molárních procentech CxHy Obsah uhlovodíků vyšších než methan v plynném palivu v molárních procentech
25
ai …... Empiricky zjištěné koeficienty pro jednotlivé uhlovodíky CxHy uvedené v tabulce (číslo) Tabulka 2: Koeficienty ai pro jednotlivé uhlovodíky Uhlovodík methan CH4 ethan C2H6 propan C3H8 butan C4H10 pentan C5H12 acetylen C2H2 ethylen C2H4 propylen C3H6
ai 0 0,95 0,95 1,1 1,15 3,0 1,75 1,25
4.3 Obrazce záměnnosti jednotlivých skupin plynných paliv Při hodnocení záměnnosti plynných paliv je nutné pro hodnocenou skupinu sestrojit obrazec záměnnosti. Každý plynový spotřebič má vlastní charakteristický obrazec záměnnosti, který vymezuje oblast Wobbeho čísel a spalovacích potenciálů dané skupiny plynných paliv, ve které lze spotřebič bezpečně a hospodárně provozovat. Obrazec záměnnosti konkrétního spotřebiče se zjišťuje empiricky tak, že do hořáku spotřebiče se postupně přivádějí uměle připravená plynná paliva různého složení a měřením se stanovují mezní hodnoty Wk, c, při kterých již začíná docházet k poruchám. Obecná ukázka výsledného obrazce je uvedena na obrázku 11, je zde zároveň poukázáno na to, za jakých podmínek k daných defektům v činnosti zařízení dochází. Celý postup vypadá v praxi tak, že výše uvedené měření je provedeno u několika vybraných „nejcitlivějších“ spotřebičů a pro tyto spotřebiče se stanoví jejich individuální diagramy záměnnosti. Výsledný obrazec záměnnosti dané skupiny plynných paliv vznikne jako průnik těchto individuálních obrazců a vzniklá plocha je oblastí záměnnosti, která je společná všem individuálním obrazcům záměnnosti jednotlivých spotřebičů. Navzájem záměnná jsou potom všechna plynná paliva, jejichž body dané souřadnicemi Wk, c leží uvnitř obrazce záměnnosti.
26
Obrázek 11.
Obecná ukázka obrazce záměnnosti
Zdroj: [6]
4.4 Vliv přídavku vodíku do zemního plynu na Wobbeho index Přídavek vodíku do zemního plynu ovlivňuje jeho Wobbeho index. Experiment, který na tuto skutečnost poukazuje[7], byl prováděn s dvěma různými, avšak již dříve zmíněnými typy zemního plynu. „Lean gas“ (chudý plyn) má toto molární složení: 82,5% CH4, 11,7% N2, 1,1% CO2, 3,5% C2H6, 0,75% C3H8, zbytek je tvořen uhlovodíky s více než třemi atomy uhlíku. „Rich gas“ (bohatý plyn) má molární složení: 85,5% CH4, 0,5% N2, 1,8% CO2, 8,5% C2H6, 2,7% C3H8, zbytek tvoří uhlovodíky s počtem atomů uhlíku větším než 3. Wobbeho index vodíku je 48,3, Wobbeho index chudého plynu je 45,5 a pro bohatý plyn má hodnotu 54,4. Z toho vyplývá, že hodnota Wobbeho indexu vodíku je nižší než hodnota pro bohatý plyn, ale vyšší než hodnota pro chudý plyn. Dalo by se tedy očekávat, že přídavek vodíku do chudého plynu bude zvyšovat výsledné Wobbeho číslo pro vzniklé palivo a naopak přídavek vodíku do bohatého plynu bude snižovat Wobbeho číslo pro vzniklé palivo. Obrázek 12, reprezentující výsledky experimentu však prozrazuje, že skutečnost je jiná. Obrázek 12 ukazuje graf závislosti Wobbeho indexu daného paliva na molárním procentu vodíku v něm. Vidíme z něj, že chování chudého a chování bohatého plynu při přidávání vodíku nevykazuje velké vzájemné rozdíly – obě křivky jsou grafem funkce, která klesá do svého minima a pak roste. Rozdíly můžeme najít pouze v poloze těchto minim pro
27
chudý a bohatý plyn a ve strmosti poklesu funkce. Co se týče minima pro chudý plyn, to se nachází přibližně v oblasti 75 molárních procent vodíku, pro bohatý plyn je to cca 80 molárních procent. Co se týče strmosti na intervalech, kde jsou funkce klesající, větší strmosti dosahuje funkce bohatého plynu.
Obrázek 12. Zdroj: [7]
Závislost Wobbeho indexu zemního plynu na molárním procentu vodíku
Skutečnosti, že přídavek vodíku působí snížení Wobbeho indexu až do jeho určité, poměrně vysoké koncentrace (jak bylo ukázáno), je možné využít. Například v Nizozemí musí být Wobbeho index udržován v rozmezí hodnot 43,4 a 44,4. Pohlédneme-li zpět na graf, do tohoto rozmezí nespadá ani čistý chudý zemní plyn a už vůbec ne čistý bohatý zemní plyn. Jejich Wobbeho indexy jsou v obou případech vyšší než je žádoucí. Doposud byl tento problém řešen přídavkem dusíku, který dokáže Wobbeho index snížit na požadované hodnoty. Obrázek 12 ukazuje, jak klesá potřeba molárního zastoupení dusíku v závislosti na zvyšujícím se molárním zastoupení vodíku přidávaného do chudého plynu, bohatého plynu a čistého methanu, má-li být zajištěna hodnota Wobbeho indexu 43,7.
28
Obrázek 13. Vliv přídavku vodíku na potřebu přídavku dusíku Zdroj: [7]
4.5
Skupiny plynných paliv, efekt přídavku vodíku do zemního plynu Skutečnost, že přídavek vodíku do zemního plynu ovlivňuje jeho Wobbeho číslo, musí
být brán v potaz, aby nedošlo k nežádoucím efektům při používání zařízení určených ke spalování zemního plynu. Na obrázku 14, který je obdobou obrázku 12 dříve uvedeného, co se týče veličin vynesených na osách, jsou znázorněny uzavřené oblasti uspořádaných dvojic hodnot (Wk,c), které musí palivo splňovat, aby do dané skupiny plynných paliv patřilo. Dokud bude zemní plyn obohacený vodíkem patřit i nadále do skupiny zemních plynů, uvedené na obrázku, bude také možné využít k jeho spalování hořáky používané nyní. Pokud by tato podmínka splněna nebyla, nastal by při spalování obohaceného zemního plynu problém, neboť stávající zařízení využívaná ke spalování by bylo nutné přebudovat, aby vyhovovala novým podmínkám.
29
Obrázek 14.
Skupiny plynných paliv
Zdroj: [6]
Nyní se zaměříme na skutečnost, jakým způsobem ovlivní přídavek vodíku charakteristiky zemního plynu z hlediska záměnnosti. Průměrné složení zemního plynu, používaného v České republice (molární procenta), je přibližně: 98,4% CH4, 0,4% C2H6, 0,2% C3H8, 0,1% C4H10, 0,1% CO2, 0,8% N2, zbytek tvoří různé stopové příměsi. Toto složení pro nás představuje složení čistého zemního plynu. Budeme uvažovat přídavek vodíku do zemního plynu tohoto složení takový, že při zachování množství všech složek bude obsah vodíku v nově vzniklém plynném palivu 5,10,15 a 30%. Pro plyny těchto složení pak určíme Wk, c a Qs. Pro výpočet Wk a Qs využijeme metodiku podle normy ČSN ISO 6976. Hodnoty c získáme výpočtem ze vzorce 10. Získané hodnoty jsou uvedeny v tabulce 3. Ve spodních dvou řádcích tabulky 3 jsou ještě uvedeny hodnoty Qs, Wk mezního zkušebního plynu pro
30
prošlehnutí plamene a mezního zkušebního plynu pro odtržení plamene. Údaje jsou uvedeny v jednotkách vypsaných v hlavičce tabulky. Pro každou z hodnot přídavku vodíku do zemního plynu je nutné vypočítat nové složení zemního plynu, neboť přídavek vodíku samozřejmě ovlivní molární zlomky ostatních složek. Na tomto místě je uveden příklad přepočtu molárního zlomku methanu pro zemní plyn o obsahu vodíku 5% mol. a výpočet spalovacího potenciálu zemního plynu o obsahu vodíku 5% mol. : 1) Přepočet molárního procenta methanu v čistém zemním plynu na molární procento methanu v zemním plynu s obsahem 5% mol. vodíku: xvodík = 5 =
nvodík ⋅100 100 + nvodík
nvodík = 5,3 mol xmethan =
nmethan 98,4 = ⋅100 = 93,5 % 100 + nvodík 100 + 5,3
xvodík …… Cílové molární procento vodíku v obohaceném zemním plynu. nvodík …… Látkové množství vodíku, které musíme přidat ke 100 molům čistého zemního plynu, abychom dosáhli cílového molárního procenta vodíku v obohaceném zemním plynu. xmethan ….. Molární procento methanu v obohaceném zemním plynu nmethan ….. Látkové množství methanu ve 100 molech čistého zemního plynu neboli molární procento methanu v čistém zemním plynu. 2) Příklad výpočtu spalovacího potenciálu pro zemní plyn s obsahem vodíku 5% mol.: Spalovací potenciál pro zemní plyn vypočteme pomocí vzorce (10), uvedeného již v kap. 4.2 (strana 14): c =u⋅ = 1⋅
H 2 + 0,3 ⋅ CH 4 + 0,7 ⋅ CO + v ⋅ ∑ ai ⋅ C x H y
= d 5 + 0,7 ⋅ 0 + 1,025 ⋅ (0,95 ⋅ 0,4 + 0,95 ⋅ 0,2 + 1,1 ⋅ 0,1 0,6618 1,293
= 47,2
Jelikož obsah kyslíku v našem zemním plynu považujeme za nulový, korekční faktor u = 1 [6]. Hodnotu korekčního faktoru v musíme vždy pro každý případ zvlášť určit z grafu [6], k čemuž je zapotřebí znát hodnotu korigovaného Wobbeho čísla, které je možné spočítat dle ČSN ISO 6976. Koeficienty ai pro jednotlivé uhlovodíky byly zjištěny v tabulce 2. Výpočty pro ostatní složení se provědějí analogicky, výsledky jsou rovněž uvedeny v tabulce 3. 31
Tabulka 3: Korigovaná Wobbeho čísla, spalovací potenciály a spalná tepla zemního plynu s různým přídavkem vodíku: Palivo Wk (MJ/m3) Qs (kWh/m3) C Zemní plyn čistý 50,33 10,323 41,3 Zemní plyn + 5% H2 49,70 9,971 47,2 Zemní plyn + 10% H2 49,13 9,628 53,4 Zemní plyn + 15% H2 48,47 9,268 59,7 Zemní plyn + 30% H2 46,60 8,207 81,5 MZPO 47,87 8,850 MZPP 45,66 9,710 Na obrázku 15 je potom znázorněno, jak přídavek vodíku ovlivňuje polohu zemního plynu v diagramu záměnnosti plynných paliv, uspořádání diagramu je stejné jako uspořádání na obrázku 14 – na svislé ose jsou vyneseny hodnoty Wobbeho čísel, na vodorovné ose jsou vyneseny hodnoty spalovacího potenciálu. Oblast uprostřed uzavřená lomenou čarou odpovídá skupině zemních plynů z obrázku 13. Do této oblasti musí patřit každé palivo, o kterém lze prohlásit, že je zaměnitelné se zemním plynem.
Obrázek 15.
Vliv přídavku vodíku do zemního plynu na jeho příslušnost ke skupině zemních plynů, kde Wk [MJ/m3], c [-]
Zdroj: Vlastní výpočet
32
Z obrázku 15 je možno vyvodit závěr, že přídavek vodíku mění vlastnosti zemního plynu z hlediska záměnnosti – přídavek vodíku zvyšuje spalovací potenciál a snižuje Wobbeho číslo. Určitý přídavek vodíku si můžeme dovolit, aniž bychom museli provádět úpravy na spotřebičích, avšak jak ukazuje poloha zemního plynu s 30% mol. vodíku, je to možné pouze do jisté míry v závislosti na obsahu vodíku.
33
5
Závěr Práce se zaměřila na část problematiky využití H2 jako přídavku do zemního plynu.
Byly diskutovány výhody i nevýhody spjaté s touto problematikou. V kapitole 1 byl vymezen účel a obsah práce. V kapitole 2 byly rozebrány efekty přídavku vodíku do zemního plynu na jeho spalovací vlastnosti a emise oxidů dusíku, uhlovodíků a oxidu uhelnatého. Závěry plynoucí z této kapitoly: •
Vodík působí jako iniciátor spalovacích reakcí a celkově zvyšuje rychlost hoření, což umožňuje spalovat směsi s vyšším koeficientem λ
•
Přídavek vodíku při konstantní době zážehu zvyšuje emise NOx a snižuje emise CO a HC
•
Změnou doby zážehu lze dosáhnout snížení jak emisí NOx, tak emisí CO a HC.
•
Přídavek vodíku do zemního plynu zvyšuje tepelnou účinnost jeho spalování pro λ > 1,7
Kapitola 3 řeší základní fyzikálně-chemické vlastnosti zemního plynu obohaceného vodíkem. Závěry plynoucí z této kapitoly: •
Přídavek vodíku do zemního plynu snižuje jeho hustotu, závislost hustoty zemního plynu je lineární funkcí obsahu vodíku v něm
•
Přídavek vodíku do zemního plynu způsobuje zmírnění Joule-Thomsonova efektu při změnách jeho tlaku.
Kapitola 4 pojednává o problematice záměnnosti paliv, definuje základní veličiny zavedené pro tento účel a poskytuje přímou analýzu vlivu přídavku vodíku do zemního plynu na jeho příslušnost do skupiny paliv typu zemní plyn.Závěry plynoucí z této kapitoly: •
Přídavek vodíku do zemního plynu způsobuje snížení jeho Wobbeho čísla a zvýšení jeho spalovacího potenciálu
•
Místo dusíku by mohl být do zemního plynu přidáván vodík s cílem snížit jeho Wobbeho číslo na přijatelnou hodnotu
34
Závěrem je možno říct, že přídavek vodíku do zemního plynu může být v budoucnu jedním ze zajímavých alternativ využití vodíku v energetice, protože takto vzniklé palivo má řadu pozitivních vlastností.
35
6
Literatura
[1] V.Venegas et al.; EBSD study of hydrogen – induced cracking in API-5L-X46 pipeline steel. Scripta Materialia, 2005, Volume 52, 147-152. [2] G. Hankinson; Assessing the changes in safety risk arising from the use of natural gas infrastructures for mixtures of hydrogen and natural gas. Lungborough university, UK. [3] Fanhua Ma et al. Experimental study on thermal efficiency and emission characteristics of a lean burn hydrogen enriched natural gas engine. International Journal of Hydrogen Energy, 2007, Volume 32, 5067-5075. [4] Jinhua Wang, Zuohua Wang, Yu Fang, Bing Liu, Ke Zeng, Haiyan Miao, Deming Jiang; Combustion behaviors of a direct-injection engine operating on various fractions of natural gas–hydrogen blends. International Journal of Hydrogen Energy, 2007, Volume 32, 35553564. [5] Haiquan Liu et al.; Combustion and emission characteristics of a port-injection HCNG engine under various ignition timings. International Journal of Hydrogen Energy, 2008, Volume 33, 816-822. [6] Fík, J.; Spalování plynných paliv a plynové hořáky. 1. vydání. Praha: GAS,s.r.o., 1998. 232 stran. ISBN 80-86176-01-0, kapitola 14. [7] J.A.Schouten, J.P.J.Michels, R.Janssen-van Rosmalen; Effect of H2 injection on the thermodynamic and transportation properties of natural gas. International Journal of Hydrogen Energy, 2004, Volume 29, 1173-1180. [8] ČSN EN ISO 6976; Zemní plyn – Výpočet spalného tepla, výhřevnosti, hustoty, relativní hustoty a Wobbeho čísla, 2006.
36
7
Seznam obrázků a tabulek
Obrázek 1: Vliv přídavku vodíku na dobu hoření při konstantních otáčkách motoru při tlaku vstřikování paliva 50 kPa (a) a 105 kPa(b) Obrázek 2: Vliv přídavku vodíku na emise NOx Obrázek 3: Vliv přídavku vodíku na emise CO Obrázek 4: Vliv přídavku vodíku na emise HC Obrázek 5: Vliv doby zážehu na množství emisí NOx pro různé přídavky vodíku Obrázek 6: Vliv doby zážehu na množství emisí CO pro různé přídavky vodíku Obrázek 7: Vliv doby zážehu na množství emisí HC pro různé přídavky vodíku Obrázek 8: Vliv přídavku vodíku na tepelnou účinnost spalování Obrázek 9: Vliv přídavku vodíku na výhřevnost zemního plynu Obrázek 10: Vliv přídavku vodíku na hustotu zemního plynu Obrázek 11: Obecná ukázka obrazce záměnnosti Obrázek 12: Závislost Wobbeho indexu zemního plynu na molárním procentu vodíku Obrázek 13: Vliv přídavku vodíku na potřebu přídavku dusíku Obrázek 14: Skupiny plynných paliv Obrázek 15: Vliv přídavku vodíku do zemního plynu na jeho příslušnost ke skupině zemních plynů Tabulka 1: Dělení paliv do skupin podle výhřevnosti Tabulka 2: Koeficienty ai pro jednotlivé uhlovodíky Tabulka 3: Korigovaná Wobbeho čísla, spalovací potenciály a spalná tepla zemního plynu s různým přídavkem vodíku: Tabulka 4: Joule–Thompsonův efekt pro chudý plyn[7] Tabulka 5: Joule-Thompsonův efekt pro bohatý plyn[7]
37
38
39
40
