ENERGIE Energie je extensivní veličina definuje se jako schopnost hmoty konat práci vyskytuje se v nejrůznějších formách
Z hlediska jejího využití se často rozlišuje
SPALOVÁNÍ A KOTLE
energie primární energie zušlechtěná – získá se vhodnými energetickými přeměnami
Pro praxi má největší význam energie ve formě užitečného tepla v různých formách elektřiny stlačeného vzduchu chladu 1
Pro výroby elektřiny a dodávky tepla jsou využívány především tyto formy energie: primární energie, zejména pak:
2
Fosilní paliva a jejich vlastnosti Fosilními palivy označujeme všechny látky, které nejspíše vznikly v době třetihor z biomasy či organismů a které při slučování s kyslíkem uvolňují tepelnou energii. Mohou mít skupenství pevné (uhlí), kapalné (ropa) plynné (zemní plyn) Fosilní (přírodní) paliva jsou základem pro výrobu paliv umělých, tzn. koksu, topného oleje, svítiplynu nebo zkapalněných plynů.
chemicky vázaná energie fosilních paliv jako je: uhlí uhlovodíková paliva, ropa a zemní plyn
energie získaná z tzv. „Druhotných energetických zdrojů“ (DEZ) palivové DEZ tepelné DEZ,
obnovitelné zdroje energie – z těchto je z hlediska tepelné energetiky zajímavá biomasa omezeně solární energie
3
4
BIOMASA
Přírodní a umělá paliva
Obnovitelné palivo Rozeznáváme především zbytkovou (odpadní) biomasu dřevní odpady z lesního hospodářství odpady z celulózo-papírenského, dřevařského a nábytkářského průmyslu rostlinné zbytky ze zemědělské prvovýroby a údržby krajiny komunální bioodpad odpady z potravinářského průmyslu
cíleně pěstovanou biomasu energetické byliny rychlerostoucí dřeviny 5
1
Složení paliv
Přítěž (balast)
Každé palivo se skládá z
u paliv pevných a kapalných
hořlaviny přítěže = balastu
popeloviny voda
Hořlavina = část, jejímž okysličováním se uvolňuje teplo chemicky vázané v palivu. Skládá se z aktivních látek, jejichž spalováním vzniká teplo
u plynných paliv obsah vodní páry nehořlavých plynů.
hlavními složkami popelovin jsou
uhlíku (C), vodíku (H) síry (S),
jílové minerály (Al2O3, 2SiO2.2H2O), karbonáty (CaCO3, MgCO3, FeCO3), sulfidy (FeS2), sulfáty (např. MgSO4, Na2SO4), oxidy (SiO2, Fe2O3 ) a další.
z pasivních látek, které teplo nedodávají, ale jsou vázány chemicky na uhlovodíky kyslíku (O) dusíku (N)
7
Pro složení pevných a kapalných paliv platí
8
Vztah mezi hm. podílem prvku v palivu a v hořlavině
kde je h A W
hmotnostní podíl hořlaviny hmotnostní podíl popelovin hmotnostní podíl vody
[kg.kg-1]
[kg.kg-1] [kg.kg-1] [kg.kg-1]
část hořlaviny se po ohřátí paliva uvolní v plynné formě a nazýváme ji prchavý podíl Vdaf, zbylou část nazýváme koksový zbytek Podle prvkového složení lze hořlavinu popsat vztahem
Hm. podíl popelovin v sušině a hm. podíl popelovin v palivu obsahujícím vodu spolu souvisí vztahem [kg.kg-1] Obdobně lze určit podíl libovolného jiného prvku paliva v sušině.
kde jsou Cdaf, Hdaf,Sdaf, Ndaf, Odaf hm. podíly prvků v hořlavině [kg.kg-1] 9
10
Výhřevnost a spalné teplo
Složení plynných paliv Uvádí se obvykle výčtem objemových podílů plynných složek v 1 Nm3 paliva Nm3 = kubík plynu za normálních podmínek, tj. pro 0 °C a 101,325 kPa = normální metr krychlový Hlavními složkami topných plynů jsou uhlovodíky - CnHm další hořlavé plyny – H2, CO, H2S balastní plyny – N2, CO2, H2O
Výhřevnost paliva Qi [kJ.kg-1, kJ.Nm-3, kWh.kg-1 nebo kWh.Nm-3] je množství tepla, které se uvolní dokonalým spálením 1 kg (1 m3) paliva při ochlazení spalin na standardní výchozí teplotu 20°C, přičemž vzniklá vodní pára nezkondenzuje. Spalné teplo Qs [kJ.kg-1, atd.] je celkové latentní chemicky vázané teplo v palivu, tedy včetně kondenzačního tepla vodní páry ve spalinách z paliva. Vztah mezi spalným teplem a výhřevností je
W je obsah vody v palivu H je obsah vodíku v palivu 11
[kg.kg-1] [kg.kg-1] 12
2
Pevná paliva
Zjednodušené schéma složení uhlí
jsou všechna původem z organické hmoty liší se od sebe délkou a podmínkami tzv. prouhelnění Dělení podle časové závislosti vzniku: biomasa (současné - proto ji neřadíme do fosilních paliv, ale do obnovitelných zdrojů energie) rašelina (stáří cca 10 tisíc roků) hnědé uhlí (stáří cca 1 milion roků) černé uhlí (stáří cca 3 miliony roků) antracity (stáří cca 5 milionů roků) 13
14
Zrnění tříděného uhlí a koksu Vlastnosti hořlaviny pevných paliv
15
16
Vlastnosti topných olejů
Kapalná paliva
Pro transport a spalování jsou důležité vlastnosti
= topné oleje – převážně se připravují z ropy Ropa se skládá : z organických látek ve formě kapalných uhlovodíků z nepatrného podílu příměsí
hustota viskozita a bod tuhnutí kapaliny výhřevnost Qi [kJ.kg-1] bod zápalnosti bod samovznícení obsah vody W obsah popelovin Conradsonovo číslo – zbytek při koksování obsah smoly mísitelnost olejů
síra voda minerální balast – v některých případech s vysokou koncentrací těžkých kovů, z nichž podstatný je zejména vanad
Proces zpracování surové ropy probíhá dvoustupňově frakční destilací krakováním 17
18
3
Závislost viskozity topných olejů na teplotě
Vlastnosti kapalných paliv
19
Kvalita topných olejů
20
Plynná paliva mají stále větší význam ve vytápěcí technice v oblasti malých a středních výkonů vytěsňují kapalná a pevná paliva Výhody :
Topná nafta Topný olej TL a TS Topný olej TM – mazut
nízká měrná emise znečišťujících látek (NOx, CO, SO2, TL) nejnižší měrná emise [g.MJ-1] skleníkového plynu CO2 ze všech fosilních paliv (především u zemního plynu) možnost lokálních kogenerační výroby elektrické energie a tepla v malých jednotkách již od elektrického výkonu 10 kW možnost výroby elektrické energie s velmi vysokou účinností využití v palivových článcích
Aditiva do topných olejů Obvykle se rozlišují tři typy pro zlepšení spalování korozní ochranu zlepšení tekutosti 21
Dělení topných plynů
22
Vlastnosti topných plynů
dělení dle jejich původu na přírodní zemní plyn z ropných nalezišť průmyslové plyny
Vlastnosti topných plynů, které rozhodují o použití plynů o konstrukci hořáků pro jejich spalování jsou :
svítiplyn resp.dnes procesní plyn ze zplyňování uhlí koksárenský plyn kychtový plyn z klasické hutní výroby železa bioplyn z čistíren odpadních vod a z fermentačních procesů apod.
spalné teplo QS výhřevnost Qi relativní hustota plynu dv = poměr hustoty plynu a hustoty suchého vzduchu při shodných podmínkách Wobbeho kriterium teplota vznícení plynu rychlost hoření plynu umax
kapalné plyny z rafinace ropy (propan a butan). 23
24
4
Důležité vlastnosti fosilních paliv z hlediska spalování
Přepočty paliv Pro jednotlivé druhy paliv
měrný tepelný obsah paliva (spalné teplo a výhřevnost) hranice zápalnosti paliva teplota vznícení paliva rychlost plamene spalovací teplota, resp. teplota plamene
pevná kapalná plynná je jednotkovým množstvím paliva 1 kg pro pevná a kapalná paliva 1 Nm3 pro plynná paliva = normální metr krychlový platí pro 0 °C a 101,325 kPa
25
26
Pevná paliva
Stavy paliva původní r sušina d (s) hořlavina daf (h)
1 kg paliva se skládá z hořlaviny h popeloviny A vody W
hr + Ar + Wr = 1 hd + Ad = 1
hořlavina se skládá z uhlíku vodíku síry dusíku kyslíku
platí
Cdaf Hdaf Sdaf Cdaf + Hdaf + Sdaf + Ndaf + Odaf =1 Ndaf Odaf
27
Přepočet mezi stavy
28
Výhodné zadání paliva Obsah vody v pevném palivu kolísá, proto je výhodné zadat složení paliva
Cr
hr
Cd
Ar hd
prvkovým složením hořlaviny Cdaf, Hdaf, Sdaf, Ndaf, Odaf, obsahem popela v bezvodém stavu Ad,
r
Wr
d
Ad
kteréžto hodnoty zůstávají neměnné a obsah vody Wr uvádět v původním vzorku dle konkrétních podmínek.
0
Cdaf
hdaf
daf 1 29
30
5
Spalné teplo, výhřevnost
Příklad : Zadání hnědého uhlí
Opět platí, že je výhodné zadávat spalné teplo hořlaviny – eliminuje se vliv kolísání obsahu vody evt. popelovin v uhlí
Složení hořlaviny Cdaf = 0,6414 Hdaf = 0,0573 Sdaf = 0,03 Ndaf = 0,013 Odaf = 0,2583
Obsah popelovin v sušině Ad = 0,3803
Obsah vody v původním stavu Wr = 0,29 31
Spalné teplo, výhřevnost
32
Statistické vzorce pro určení výhřevnosti TP
Opět platí, že je výhodné zadávat spalné teplo hořlaviny – eliminuje se vliv kolísání obsahu vody evt. popelovin v uhlí
Du Longův vzorec vhodný pro starší, silně prouhelnatělá uhlí (antracit, černé uhlí)
Přepočty
Vondráčkův vzorec doporučovaný pro mladší paliva (hnědé uhlí, lignit)
statistický vzorec vypracovaný z rozborů československých paliv používaný v celém rozsahu prakticky používaných tuhých paliv od koksu až po dřevo
33
34
Složení plynu Uvádí se výčtem objemových podílů složek CH4 C2H6 C3H8 C4H10 C5H12 C6H14 CO2 N2
Výhřevnost
0,981695 0,005910 0,002020 0,000791 0,000212 0,000172 0,000910 0,008290
36 409 kJ/Nm3 35
6
