Základy spalování. Energetická hodnota paliva, spalné teplo, výhřevnost Statika spalování tuhých a kapalných paliv

Palivo, druhy, palivové zdroje a jejich spotřeba Tuhá paliva, vlastnosti, charakteristiky Charakteristika kapalných a plynných paliv Energetická hodnota paliva, spalné teplo, výhřevnost Statika spalování tuhých a kapalných paliv Statika spalování plynných paliv Součinitel přebytku spalovacího vzduchu Nedokonalé spalování, Ostwaldův trojúhelník Tvorba znečišťujících látek při spalování Tvorba a snižování emisí NOx Tvorba a snižování emisí SO2, CO a tuhých látek Tvorba a snižování emisí CO2 Základní typy spalovacích zařízení Účinnost spalování a spalovacích zařízení

VŠB - Technická univerzita v Ostravě, Výzkumné energetické centrum

Základy spalování


Podle stáří : fosilní – uhlí, plyn recentní – dřevo, biomasa Podle skupenství : tuhá kapalná plynná Podle původu : přírodní umělá • ušlechtilá paliva • chemické suroviny

Rozdělení paliv

14 % 11 %

- ropa – 40 – 50 let

- zemní plyn – 50 – 70 let


75 %

- uhlí – 150-200 let

Velikost zásob:

Záleží na výkupní ceně

Zásoby paliv

výhřevnost prchavé hořlaviny

reologické (deformační) vlastnosti popela

granulometrie surového uhlí a prášku

melitelnost uhlí

napuchavost

spékavost

náchylnost k samovznícení na skládce a v zásobníku

homogenita paliva


výhřevnost hořlaviny uhlí

Charakteristiky uhlí

barva

lesk

skutečná a zdánlivá měrná hmotnost

pevnost, tvrdost, křehkost, lom, štěpnost

měrné teplo

tepelná a elektrická vodivost

dehtovitost

obsah huminových kyselin (vznikají rozkladem organických látek)

koksovatelnost


spalné teplo

Fyzikální vlastnosti uhlí

obsah popeloviny v palivu

obsah vody v palivu

A

w


obsah hořlaviny v palivu

h

kde:

h + A + w =1

- zaměřen pouze na obsah vody, popeloviny a hořlaviny

- běžně se provádí v elektrárnách a teplárnách

Hrubý rozbor

Rozbor paliva

procentuální obsah prvků v hořlavině uhlí


C, H, N, O, S

kde:

C + H + N + O + S spal = 1

- pasivní prvky – N, O

- hořlavina – aktivní prvky – C, H, S

- prchavá hořlavina – není možno provést analýzu

- záležitost laboratoří, výjimečně i elektráren a tepláren

Prvkový (elementární) rozbor hořlaviny

Rozbor paliva

r

∆ V prchavá hořlavina tuhý uhlík C fix zdánlivá prchavá h. V zdánlivá hořlavina


popel A

uhlí v původním stavu (surové, těžené) přítěž (balast) hořlavina U (uhelná hmota) r popelovina M voda veškerá W t sušina voda hrubá W ex zbylá W h

Hrubý rozbor uhlí

26 000 24 800 33 300

Lignity

Rašeliny

Vysokopecní koks

Plynárenský koks

Ostravské uhlí

Svatoňovické uhlí

Kladenské uhlí

Palivo

33 300

34 400

33 500

Qhi [kJ.kg-1] 31 000


Dřevo

Qhi [kJ.kg-1] 17 600

Palivo

- příklady výhřevností hořlaviny různých paliv

- výhřevnost hořlaviny Qhi [kJ.kg-1] má prakticky konstantní hodnotu pro určitý revír

popelovinami přeměněnými při žíhání

- tuhý zbytek po koksování vzorku je tvořen neprchavou hořlavinou (tuhým uhlíkem) a

- ochlazením prchavých složek se získá karbonizační plyn, dehet a voda

- podíl prchavé a neprchavé hořlaviny určuje koksovací zkouška

- vytvořila se z hořlavých původních organických látek

Hořlavina

90-93

2-4

0,5-2

2-4

1-1,2

C

H2

S

O2

N2

1-1,8

0,5-7

2-16

4-6,3

72-92

černé

Uhlí

0,6-1,3

14-27

0,5-7,5

4-7,8

64-77

hnědé

0,7-1,3

22-28

1,5-8

5-5,8

61-69

Lignit

2,2-2,5

33-34

0,3-0,5

5,5-6

54-61

Rašelina

0,2-0,5

42-44

0,03

6

49-51

Dřevo


Antracit

Složka hořlaviny %

Složení hořlaviny tuhých paliv

it

it n Lig

N2

20

ac r t An

0

10

O2

S

30

40

H2

C


[%]

50

60

70

80

90

Složení hořlaviny v grafu

0 až 5

5 až 10

10 až 45

Koks

Antracit

Černé uhlí

Dřevo

Rašelina

Hnědé uhlí

Palivo

73 až 88

60 až 73

45 až 60

Vdaf [%]]


Vdaf [%]]

Palivo

- uhlí s velkou prchavou hořlavinou se snadno vzněcuje, ale obtížně vyhořívá

- geologicky starší palivo má menší prchavou hořlavinu

- obsah závisí na geologickém stáří (stupeň prouhelnatění paliva)

- množství plynné látky uvolněné z hořlaviny zahříváním za nepřístupu vzduchu při 300-800 oC

Prchavá hořlavina Vdaf

Prchavá hořlavina


- rozdělení jednotlivých druhů vod udává norma ČSN 44 1350

- voda je vázána různým způsobem

- vlhké palivo v zimě může až zamrznout

- větší vlhkost spalin zvyšuje rosný bod (nebezpečí koroze teplosměrných ploch na konci kotle)

- vlhké palivo se špatně mele (vyžaduje předsoušení)

- prodlužuje dobu zapalování paliva

- snižuje spalovací teplotu

- při spalování voda zvětšuje objem spalin a tím i komínovou ztrátu

- geologicky starší uhlí obsahuje méně vody

Obsah vody

voda ulpívající na povrchu zrn paliva, odstraňuje se mechanicky nebo odsátím


105 oC

- uvolňuje se sušením analytického vzorku paliva (zrno pod 0,2 mm) za zvýšené teploty při

- voda kapilárně vázaná (zbytek po odpaření hrubé vody)

Hygroskopická (zbytková) voda

vlhkost vzduchu cca 50%)

- voda odpařující se při volném vysýchání rozdrceného vzorku na vzduchu (do 40 oC,

Hrubá voda

filtračního papíru

-

Povrchová voda

uhlí )

- po vytěžení, lze ji odstranit mechanicky - filtrací, odstředěním ( např. kaly nebo praná

Přimíšená voda

Druhy vod v palivu


uvolní se rovněž až při teplotách rozkladu paliva

- chemicky vázaná na hořlavinu , běžně se neurčuje, je zahrnuta v prchavé hořlavině a

Okludovaná voda

se při teplotách rozkladu paliva

- krystalová voda minerálů, voda chemicky vázaná na popeloviny, běžně se neurčuje, uvolní

Hydrátová voda

- celkový obsah vody přimíšené, hrubé a zbytkové

Veškerá voda

- celkový obsah vody přimíšené - povrchové a hrubé

Volná voda

Druhy vod v palivu


- přimíšená popelovina se při zvýšených požadavcích na kvalitu uhlí odstraňuje

- proplástky – uhlí obsahující velký podíl přimíšených popelovin

- hlušina nadloží, mezivrstev a podloží způsobná těžbou uhlí

- přimíšená (vnější) popelovina

- epigenetická – zanesena do uhlí během geologických změn a její množství kolísá

- syngenetická - pochází z rostlin, je v hořlavině rovnoměrně rozptýlena, je jí asi 2%

- vlastní (vnitřní) popelovina

- řada jiných minerálů ve stopových množstvích

- malá množství alkalických kovů

- volný SiO2, uhličitan vápenatý, hořečnatý a železnatý, sulfáty, kysličníky železa

- převážně komplexní křemičitany hliníku, hořčíku, vápníku, železa, sodíku a draslíku

- minerální složky v palivu

Popelovina


- popílek - drobné minerální částice unášené spalinami (výsypky kotlů, se spalinami z kotle)

- struska - minerální zbytky paliva po spálení nad teplotou tečení popela, tvoří sklovitou hmotu

- škvára - při spalování dosáhl popel teploty tavení a nastalo spojení zrn ve větší celky

- popel může obsahovat stopové prvky As, B, Be, Ge, Pg, Cd, Au, Ni, Ba, Se, Zn, V, Zr, U aj.

- SiO2, Al2O3, FeO, CaO, MgO, Na2O, K2O, MnO, TiO2, P2O aj.

- změny a reakce probíhají převážně v oxidačním prostředí, čímž vzniká směs kysličníků

prchavých kysličníků, oxidace nebo rozpadů některých minerálů při teplotách nad 400°C

- hmotnost popeloviny a popela se liší v důsledku ztráty hydrátové vody, úniku některých

- vzniká spalováním a postupným zahříváním popelovin, mění se jejich složení i hmotnost

Popel

mcelk

[%]


Dx = 100 − Rx

- procentuální podíl zrn, která propadnou sítem určité velikosti

- komplementární ke zbytkové charakteristice

Propadová charakteristika

Rx =

∆m( x až x max )

- procentuální podíl zrn, která zůstanou na sítě příslušné velikosti

Zbytková (rozsevová) charakteristika

- procentuální hmotnostní podíly zrn Yx v určitém rozsahu velikosti zrn

Frakční charakteristika

Definice charakteristik uhlí

0

20

40

60

80

100

0

50

zbytková

x [mm]

100

propadová

150

Charakteristiky uhlí

200

frakční


Rx, Dx, Yx [%]

=e

− ( x / x 0 )n −1

[kg.kg ]


1 Rx 0 = = 0,368 kg .kg −1 , resp. Rx 0 = 36,8% e

- x udává velikost zrn

- parametr x0 je charakteristikou zrnitosti, jeho velikost plyne z podmínky, že zbytek na sítě x0 je

- koeficient b vyjadřuje způsob a jemnost mletí

a tedy tím více se blíží monodisperzní skladbě

- exponent n vystihuje vnitřní skladbu velikosti zrn, čím je n větší, tím je zrnění rovnoměrnější,

kde:

Rx = e

− bx n

rozsevového zákona. Výpočetní vzorec je Rosinův-Rammlerův

- vyjadřuje se empirickým vzorcem, který dosti matematicky přesně vystihuje charakter

Zbytková charakteristika

Rozsevový zákon

kusy

kostka

ořech 1

ořech 2

hrášek

hrubý

ku

ko

o1

o2

hr

hp

letek

hrubé

le

h

30až80

0až0,5

0až6

0až10

10až18

18až30

30až50

50až80

80až120

[mm]

d

p

hp

kr

hr

o2

o1

ko

ku

Značka

uhlí

drobné

prach

prach

hrubý

krupice

hrášek

ořech 2

ořech 1

kostka

kusy

Třída

Hnědé uhlí

0až40

0až30

0až20

0až20

0až12

8až12

12až18

18až30

30až50

50až80

80až120

[mm]

p

hr

o2

o1

ko

vk

ku

slk2

slk1

Značka

prach

hrášek

ořech2

ořech1

kostka

hutnic.

kusy

slév.2

slév.1

Třída

Koks

0až10

10až20

20až40

40až60

60až80

nad 40

nad 80

60až90

nad 90

[mm]

p

d

h

Značka

prach

drobn.

hrubý

Třída

Polokoks

0až10

0až40

10až40

[mm]


uhlí

prach

p

prach

Třída

Značka

Černé uhlí

Třídy zrnění uhlí


energii jako pro porovnávací etalon (měrná mlecí práce v kWh.t-1)

- podle stálé energie – srovnává se přírůstek měrného povrchu odpovídající stejně vynaložené

etalonem na stejnou zrnitost uhlí

- podle stálé jemnosti – srovnání množství energie vynaložené na semletí uhelného vzorku s

Dva přístupy srovnání uhlí:

- melitelnost se určuje v laboratořích na zkušebních mlýnech (tři druhy zkoušek)

- špatná melitelnost je příznivá z hlediska dopravy a překládání paliv pro spalování na roštěch

- dobrá melitelnost uhlí je výhodná z hlediska nákladů na mletí prášku

- závisí na vnitřní struktuře uhlí a obsahu vody

- udává velikost odporu, který uhlí klade při dezintegraci v porovnání s etalonem

Melitelnost uhlí


Qi = Qn − 2453 ⋅ (W + 9 ⋅ H 2 )

Přepočet mezi jednotlivými teply vyjadřuje vzorec:

kondenzaci vodní páry, [kJ kg-1]

- teplo uvolněné dokonalým spálením 1 kg paliva při ochlazení spalin na teplotu 20 oC, dojde ke

Spalné teplo Qn

teplotu 20 oC za vzniku vody ve formě páry (jen definice v praxi neuskutečnitelné), [kJ kg-1]

- množství tepla uvolněné dokonalým spálením 1 kg paliva při ochlazení spalin na výchozí

Výhřevnost Qi

Výhřevnost a spalné teplo

)

−1

[kJ kg ]

−1

[kJ kg ]


Qi = 37200 − 2596 ⋅ C h ⋅ C + 90960 ⋅ H 2 + 10470 ⋅ S − 11300 ⋅ O2 − 2453 ⋅W

(

- pro mladší paliva se počítá podle Vondráčkova

Qi = 33910 ⋅ C + 120580 ⋅  H 2 − 2  + 10470 ⋅ S − 2453 ⋅ W 8  

- pro starší paliva se počítá podle Dulonga O 

- platí vždy jen pro určitou skupinu paliv

- z prvkového složení paliva

Přibližný výpočet

teplu

- oteplení vodní lázně kalorimetru teplem uvolněným ze spáleného vzorku je úměrné spalnému

atmosféře při tlaku asi 2,5 MPa v kalorimetrické bombě, ponořené ve vodní lázni

- výhřevnost se vypočte ze spalného tepla, které se stanoví spálením 1 g paliva v kyslíkové

Kalorimetrický způsob

Stanovení výhřevnosti

analytický vzorek – zkušební vorek, velikost zrn pod 0,2 mm, obsah vody je v

a

hořlavina – uzanční stav paliva bez obsahu vody a popela

zdánlivá hořlavina – prchavá hořlavina

h

daf


bezvodý vzorek, sušina – vysušený vzorek

d

rovnovážném stavu s vlhkostí laboratoře

surové (původní) palivo - stav paliva, ve kterém se těží, dopravuje nebo spotřebovává

r

Horní index

Označování stavů

r

r

r

r

r

r

a

d

a

a

a

a

a

d

d

d

d

h

h

h

h


h

C + H + N + O + S spal = 1

Složení hořlaviny

d

C + H + N + O + S spal + A = 1

Složení sušiny

a

C + H + N + O + S spal + A + w = 1

Složení analytického uhlí

r

C + H + N + O + S spal + A + w = 1

Složení surového uhlí

Složení uhlí v různých stavech

hd

Ad

sušina

Chfix

Vh daf

hořlavina


hr

Ar

wr

surové uhlí

Stavy paliva

topné oleje - produkty zpracování ropy, dehtů, produkty přímého


těžké

- podle měrné hmotnosti a průběhu destilační křivky se topné oleje rozdělují na lehké, střední a

(vybavení cisteren a nádrží parním nebo horkovodním vytápěním)

- přečerpávání topných olejů s vyšší teplotou tuhnutí - předehřátí oleje na teplotu 50 až 80 oC

- teplota tuhnutí závisí na příměsi parafínu, u některých druhů je 25 oC

- topný olej se snadno vzněcuje (nutné pro uskladňování a zahřívání)

- obsah balastu je minimální - obsah popelovin a vody je ve zlomcích procenta

- složení topného oleje - uhlík, vodík a kyslík, ty tvoří směs různých uhlovodíků

- neupravená ropa se jako palivo používá velmi zřídka

zpracování uhlí a hořlavých břidlic

- nejužívanější jsou

Kapalná paliva


- menší emise škodlivin

- větší regulační rozsah kotlů (20 – 100 %)

abrazi)

- menší investiční a provozní náklady (odpadá mletí, doprava popílku, nedochází k

- lze použít kondenzačních kotlů ( u zemního plynu neobsahují spaliny SO2)

- možnost dosažení vyšší účinnosti kotle (přebytek vzduchu 1,06 – 1,1)

- snazší doprava a skladování

- nečistoty ve spalinách – ze spalovacího vzduchu

- vyšší výhřevnost a nepatrný obsah popelovin

Porovnání s palivy tuhými

Kapalná paliva

3

kg/m 0,84 0,88 0,92 0,97 1,05

C H 85,9 13 85,5 12,5 85,3 11,6 84 11 89 6,5

O 0,4 0,8 0,6 1,1 1,7

N 0,4 1,2

S 0,7 1,2 2,5 3,5 0,8

Qi MJ/kg 42,7 42,3 40,8 40,2 37,7

r

Výhřevnost


- u špičkových zdrojů – dobré dynamické vlastnosti

- ke stabilizaci hoření

- jako najížděcí palivo kotlů na tuhá paliva

extra lehký lehký střední těžký dehet

Druh oleje

Hustota

Složení %

Druhy a použití kapalných paliv


(350 - 600 °C)

- bod zápalnosti (samovznícení) - teplota, při které olej sám vzplane bez přiblížení ohně

přístupu vzduchu olej hoří (asi o 60 °C vyšší než bod vzplanutí)

stabilním plamenem, neboť z oleje se již odpařuje dostatek nových par, takže za

- bod hoření - teplota, kdy při přiblížení plamene páry nad olejem vzplanou a hoří

hasnoucím plamenem (spodní mez výbušnosti – tři třídy nebezpečnosti)

v dostačujícím množství, aby při dočasném přiblížení plamene vzplanuly ihned

- bod vzplanutí - teplota, při které se při tlaku 0,1 MPa nad hladinou oleje tvoří páry

Charakteristiky kapalných paliv


- obsah síry - nežádoucí (zvyšuje rosný bod spalin, nízkoteplotní koroze

nebezpečné stoupnutí tlaku v nádrži)

vzduchu na stěnách cisteren - olej pění, může i náhle přetéci z nádrže nebo způsobit

- obsah vody - normy připouštějí 0,5 až 1 % vody podle druhu (sražením vlhkosti

- bod tečení - teplota, při které začíná olej téci (asi o 50 °C vyšší než bod tuhnutí)

40 °C)

- bod tuhnutí - teplota, při které oleje tuhnou. Závisí na složení a viskozitě oleje (18 až

mění s teplotou.

nebo v empirických jednotkách, např. ve stupních Englera [°E]]. Viskozita oleje se

- viskozita (vazkost) - dynamická viskozita [Ns.m-2], kinematická viskozita [m-2.s-1]

Charakteristiky kapalných paliv


od čáry pobřeží.

mořského dna, svažující se zvolna

tzv. šelfu tj. v příbřežní části

těžbu ropy ložiska nacházející se v

Mnohé pobřežní státy využívají pro

TĚŽBA Z MOŘSKÉHO DNA

značným tlakem, za určité teploty a bez přístupu vzduchu

drobných organismů (živočichů) za příznivých podmínek - pod

- ropa vznikla rozkladem obrovského množství odumřelých

a často spolu se zemním plynem

- ložiska ropy jsou v hloubkách až několika stovek metrů, mezi nepropustnými vrstvami hornin

- obsahuje 80 až 85% uhlíku, 10 až 15% vodíku, 4 až 7% síry a zbytek dusíku

- směs plynných, kapalných i pevných uhlovodíků

- hustotě 0,73 - 1,00 kg/m3

- světle žlutá až černá kapalina

Ropa

tryská

do

někdy


čerpá.

mnohametrové výše, nebo se

dokonce

vyvěrá,

hlubinnými vrty, z nichž ropa

vrtání nárazové. sama

Ropná ložiska se otevírají a těží

Nejjednodušší a také často používaný způsob se nazývá bud

TĚŽBA NA PEVNINĚ

VRTÁNÍ

Těžba ropy

v dopravě se používají především její složky benzín a

-

LTO lze použít také pro motory automobil

Produkty rafinace benzín nafta lehký topný olej těžký topný olej mazut


-

rafinací vznikají těžší frakce (TTO, mazut)

-

nafta pro pohon spalovacích motorů

zpracovává se v rafinériích

-

Využití ropy


- generátorový plyn – vzniká zplyňováním tuhých paliv jako hlavní produkt

- dřevoplyn – spalováním vznikají nánosy, kogenerační jednotky 0,2 – 4 MWe

- bioplyn - vzniká anaerobní fermentací exkrementů zvířat - použití v kotlech na zemní plyn

Uměle vyrobené plyny

- koksárenský plyn – vzniká při koksování uhlí, otop koksovacích baterií

- vysokopecní (kychtový) plyn – vzniká jako vedlejší produkt výroby železa

- degazační (důlní) plyn – uniká z dolů při těžbě, velmi proměnlivé složení

Odpadní plyny

- zemní plyn – nejrozšířenější plynné palivo

Přírodní plyny

Plynná paliva

Metan Zemní Vodní Koksový Vysokopecní Generátorový

0,1 6,3 2,3 10,5 5,2

CO2

0,2 0,8 0,2

O2

0,7 -

Cx Hx

3,8 6,8 28 28,1

[%]

CO

51 57,5 2,7 13,3

H2

100 98 0,5 22,5 0,3 0,6

CH4

1,2 4 7,8 58,3 52,4

N2


[MJ.kg ] 35,7 35,4 10,5 16,3 3,95 5,25

Plyn -1

r Qi

Výhřevnost

Složení plynných paliv

560 530 700

Koksárenský

Vodík

Generátorový

Etan C2 H6

Acetylén C2 H2

Propan C3 H8

CO

Plyn

590

335

510

°C 610


°C 645

Plyn Metan CH4

- teplota vznícení – uvedena v tabulce

- zápalná teplota - podmíněná fyzikální konstanta, prakticky se používá jen zřídka

dopravu plynu

vysokopecní plyn 1 220 kg.m-3) - důležité kritérium pro spalovací vlastnosti a pro

- hustota ρ - dána složením topného plynu (např. pro zemní plyn 650 kg.m-3,

Charakteristiky plynných paliv


kyanovodík

- základní nečistoty - dehet, sirné sloučeniny, karbonizační benzín, naftalen, amoniak,

- stupeň vyčištění plynů je dán ekonomií čistících zařízení

kapalných paliv)

- čistota topných plynů - lze míry přizpůsobit požadovaným účelům (na rozdíl od tuhých a

potrubí, armatur, hořáků atp.

- nečistoty v topných plynech - [g.m-3] vyvolávají tvorbu dehtových a prachových usazenin, korozi

- vlhkost plynu - absolutní [g.m-3] nebo relativní [%]], tvoří nežádoucí složku plynu

- teplota hoření - nejvyšší dosažitelná teplota plamene

Charakteristiky plynných paliv


Použití ZP - palivo pro energetiku a automobily - vaření 1\2 domácností - ohřev vody a topení 1\5 domácností

- ložiska ropy i zemního plynu bývají v různých hloubkách od 30 do 8 000 m

- tlak zemního plynu někdy způsobuje, že při navrtání ložiska ropy z něho ropa samovolně tryská

- často se vyskytující společná ložiska ropy a zemního plynu

NOX, COX

- při spalování nevzniká popílek, minimum SOX,

složkou)

- nejedovatý plyn bez pachu (obohacuje se páchnoucí

složku uhlovodík metan CH4 (obvykle 88 - 99,8 %)

- má proměnlivé složení, vždy obsahuje jako základní

Zemní plyn


- zemní plyn dovážíme, zatím výhradně z Ruska

Hodonínsku

spotřebován, je kryto vlastní těžbou z ložisek na

- jen asi 1,5 % zemního plynu, který je u nás ročně

vysokotlakých plynovodů

- Celosvětově je v provozu více než 1250 000 km

- délka plynovodů překročila 430 000 km

Doprava zemního plynu v Evropě a do Evropy

Plynovody a ložiska


Plynovody v ČR

okysličovadlo

produkty


Proces, ve kterém dochází k přeskupování atomových partnerů, nazýváme chemickou reakcí

reagenty

spektra.

světelného efektu a vzniku tepla, tzn. teplota produktů hoření dosáhla oblasti viditelného

Hoření – fyzikálně chemický děj slučování hořlaviny s okysličovadlem za doprovodného

Spalování - chemická reakce probíhající při každé reálné teplotě.

Spalování tuhých paliv


Uhlík hořící v kyslíku

biomasy: Citát: „stromy vznikly převážně ze vzduchu. Když je spálíme vrátí se zpátky do vzduchu, přičemž se uvolní sálavé teplo, což je sálavé teplo Slunce, které bylo třeba, aby se vzduch přeměnil v dřevo stromů; trocha popela je pozůstatek té části stromů která neměla původ ve vzduchu, ale v zemi“ (Richard P. Feynman)

Spalování

– Qs = Q1 + Q2 (28% + 72%)

dle Hessova zákona platí:

– CO + 0,5O2 = CO2 + Q2 (283 MJ/kmol)

– C + 0,5O2 = CO + Q1 (111 MJ/kmol)

soubor dílčích reakcí:


sumární popis oxidace uhlíku:

– C + O2 = CO2 + Qs (394 MJ/kmol)

tepelný efekt reakce nezávisí na cestě, kterou reakce probíhá ke konečnému produktu, nýbrž jen na počátečním a konečném stavu soustavy

Hessův zákon


(slučovací tepla – pro rozbití vazeb atomů molekuly, p-palivo, o-oxidovadlo, sp-spaliny) Q – tepelný efekt reakce

- teorie chemismu spalovacích reakcí se dělí na dvě části: statiku a kinetiku spalování statika – hodnotí kvantitativní stránku reakce (bez ohledu na čas, neexistuje přebytek ani nedostatek reagentů) energetická bilance spalovací reakce: Qp* Mp*np + Qo*Mo*no = Qsp*Msp*nsp + Q

statika a kinetika spalování


- kombinovaně (tuhé složky v hmotnostním vyjádření, plynné objemově)

- objemově

- hmotnostně (hmotnost reagentů a produktů hoření je stejná)

- molárně (součet počtů molů na levé a na pravé straně rovnice se nemusí rovnat)

Rovnice je možno vyjádřit několika způsoby:

Spalování – probíhá u hořlavých složek paliva, pro tuhá paliva je to C, H, S

Stechiometrické spalování – veškerý kyslík se spotřebuje na vznik produktů hoření

Stechiometrie spalování


V02,t = 1,865 ⋅ C r + ...

1 kg + 1,865 m 3 = 1,855 m 3

22,39 3 22,26 3 1 kg + m = m 12,01 12,01

12,01 kg + 22,39 m3 = 22,26 m 3

C + O2 = CO2 + 33 910 kJ .kg −1

Spalování uhlíku C

Stechiometrické rovnice spalování


V02,t = 1,865 ⋅ C r + 5,553 ⋅ H r + ...

1 kg + 5,553 m3 = 11,11 m3

11,2 22,41 3 3 1 kg + m = m 2,016 2,016

2 ,016 kg + 1 / 2 ⋅ 22,39 m 3 = 22,41 m 3

H 2 + 1 / 2 ⋅ O2 = H 2O + 120 580 kJ .kg −1

Spalování vodíku H



V02,t = 1,865 ⋅ C r + 5,553 ⋅ H r + 0,699 ⋅ S r − 0,7 ⋅ O r

1 kg + 0,699 m3 = 0,683 m3

22,39 3 21,89 3 1 kg + m = m 32,06 32,06

32,06 kg + 22,39 m 3 = 21,89 m 3

S + O2 = SO2 + 10 470 kJ .kg −1

Spalování síry S


spalovacího

vzduchu

se

vypočítá

z

1 = ⋅ V02,t 0,21

množství

kyslíku

potřebného

ke


V

s vz ,t

Vzduch obsahuje přibližně 21 objemových % kyslíku.

stechiometrickému spálení hořlaviny v palivu.

Spotřeba

Výpočet množství spalovacího vzduchu


Vsps ,t = 1,855 ⋅ C r + 0,683 ⋅ S r + ...

1 kg + 0,699 m3 = 0,683 m3

32,06 kg + 22,39 m 3 = 21,89 m 3

S + O2 = SO2

Vsps ,t = 1,855 ⋅ C r + ...

1 kg + 1,865 m 3 = 1,855 m 3

12,01 kg + 22,39 m 3 = 22,26 m 3

C + O2 = CO2

Výpočet množství suchých spalin


Vsps ,t = 1,855 ⋅ C r + 0,683 ⋅ S r + 0,796 ⋅ N r + 0,79 ⋅ Vvz ,t

Přechod dusíku ze spalovacího vzduchu do spalin

Vsps ,t = 1,855 ⋅ C r + 0,683 ⋅ S r + 0,796 ⋅ N r + ...

1 kg = 0,796 m 3

2 ⋅14,007 kg ⇒ 22,41 m 3

2 ⋅ N ⇒ N2

Přechod dusíku z tuhé fáze v palivu na plynnou

Výpočet množství suchých spalin


VH 2O = 1,244 ⋅ wr + 11,1⋅ H r + ..

2 ,016 kg + 1 / 2 ⋅ 22,39 m 3 = 22,41 m 3

1 kg + 5,553 m3 = 11,11 m3

H 2 + 1 / 2 ⋅ O2 = H 2O

Přeměna chemicky vázaného vodíku v palivu na vodní páru

VH 2O = 1,244 ⋅ w r + ...

1 kg = 1,244 m 3

(2 ⋅1,008 + 16) kg ⇒ 22,41 m 3

H 2O ⇒ H 2O

Přeměna vody v palivu na vodní páru

Objem vodní páry ve spalinách

parciální tlak vodní páry na mezi sytosti

celkový tlak vlhkého vzduchu

pp´´

pc


VH 2O = 1,244 ⋅ wr + 11,1 ⋅ H r + (ν − 1) ⋅ Vvzs ,t

relativní vlhkost vzduchu

pc − ϕ ⋅ p p ´´

ϕ

kde:

v = 1+ ϕ ⋅

p p ´´

Součinitel zvětšení objemu spalin vzdušnou vlhkostí v přivedeném spalovacím vzduchu ν

Objem vodní páry ve spalinách

=V s sp ,t

+ VH 2O

Vspv ,t

4187 je přepočet mezi kcal a kJ

čísla jsou experimentálně určena

Qir = 1,375 + 0,95 4187

Vsps ,t


kde:

Qir = 0,5 + 1,012 4187

Rychlý výpočet teoretického množství spalin lze získat ze vztahů (pro tuhá paliva):

V

v sp ,t

Výpočet množství vlhkých spalin


používaný kalorimetr. Rosin odvodil tyto vztahy :

přibližně podle výhřevnosti paliva Qi [kJ.kg-1], k jejímuž určení stačí běžně

analýzu paliva. Proto se velmi často výpočty vzduchu a spalin provádějí

Pro dříve uvedené objemové výpočty potřebujeme provést složitou elementární

Přibližný výpočet množství spal. vzduchu a množství spalin

[

[

[

]

[

[

[

]

]

]

]

]


Vv min = 0,5 + 1,012

Qi m 3 .kg −1 4 187 Q V s min = 1,375 + 0,95 i m 3 .kg −1 4 187 b) pro kapalná paliva Q V v min = 1,7 + 0,88 i m 3 .kg −1 4 187 Q V s min = 1,11 i m 3 .kg −1 4 187 c) pro plynná paliva Q V v min = 1,09 i − 0, 28 m 3 .m − 3 4 187 Q V s min = 0, 446 + 1,09 i m 3 .m − 3 4 187

a) pro tuhá paliva

Přibližný výpočet množství spal. vzduchu a množství spalin


Vvzs α = s ≥1 Vvz, t

poměr skutečného množství sp. vzduchu k teoretickému množství sp. vzduchu

Definice přebytku spalovacího vzduchu:

- k zajištění většího procenta vyhoření hořlavých složek

- nelze zajistit stechiometrické spalování (netěsnosti kotle, nepřesné nastavení množství vzduchu)

Proč spalování probíhá vždy s přebytkem vzduchu ?

Spalování s přebytkem vzduchu

1,20 1,15 1,05 až 1,10 1,01 až 1,15 1,01 až 1,10

prášková granulační ohniště

prášková výtavná ohniště

cyklónová ohniště

ohniště spalující kapalná paliva

plynová ohniště


1,30 až 1,50

roštová ohniště

Velikost přebytku vzduchu


Vvzs ,t

Vsps ,t cO 2 ⋅ 0,21 − cO 2

V

s sp

=

Vsps ,t + (α − 1) ⋅ V

0,21⋅ (α − 1) ⋅V

s vz ,t s vz ,t


α = 1+

cO 2 =

s vz ,t

0,21⋅ (α − 1) ⋅V

0,21⋅ (α − 1) ⋅Vvzs ,t = cO 2 ⋅Vsps

kyslíku ve spalinách

- vychází se z rovnice: přebytek kyslíku v přivedeném spalovacím vzduchu = objemové množství

- podle naměřené koncentrace kyslíku na konci spalovacího procesu

Výpočet přebytku vzduchu z O2

Vvzs ,t

cO 2 ⋅ 0,21 − cO 2


0,21 α≅ 0,21 − cO 2

- pak se celý vztah zjednoduší na:

Vsps ,t ≈ Vvzs ,t

- většinou platí:

α = 1+

Vsps ,t

Výpočet přebytku vzduchu z O2

≈V

s vz ,t

CO2

− 1) ⋅

α=

Vvzs ,t

Vsps ,t

CO2

CO2,max


V

s sp ,t

α = 1+ (

CO2,max

CO2 = s CO2,max Vsp ,t + (α − 1) ⋅ Vvzs ,t

Vsps ,t

CO2 ⋅ Vsps = CO2,max ⋅ Vsps ,t

= maximálně možné množství CO2,max ve spalinách teoretických

- vychází se z rovnice: objemové množství CO2 v suchých spalinách naměřených =

- podle naměřené koncentrace CO2 na konci spalovacího procesu

Výpočet přebytku vzduchu z CO2


- nadstechiometrické – α > 1, ve spalinách se objeví nezreagovaný kyslík

vzduchu jaké je potřeba na dokonalé vyhoření paliva

- stechiometrické – α = 1, za ideálních podmínek je palivu přivedeno stejné množství

převedení veškeré hořlaviny do plynného stavu

- podstechiometrické – α < 1, přivedené množství vzduchu nestačí na

- nedokonalé – tuhé zbytky po spalování obsahují více než 5% nedopalu

nedopalu v tuhých zbytcích po spalování do 5%

- za hranici dokonalosti spalování je považována hodnota

- dokonalé – veškerá hořlavina přivedená v palivu se přemění na plynnou fázi

Druhy spalování


2

∆VCO

22,27 = (a + b ) ⋅ ⋅ C = (a + b ) ⋅ 1,854 ⋅ C 12,01

- zmenšení množství CO2 ve spalinách se určí podle:

- zobrazuje se do Ostwaldova trojúhelníku

- část uhlíku shoří na CO2 (1-a-b)

- část uhlíku neshoří vůbec (b)

- část C shoří nedokonale na CO (a)

- posuzuje se podle stupně vyhoření uhlíku C

Nedokonalé spalování

22 ,39 22 ,39  a ⋅a ⋅C + ⋅ b ⋅ C = 1,865 ⋅  + b  ⋅ C 2 ⋅ 12 ,01 12 ,01  2

a  + b  ⋅C 2 


∆Vv min

100 = ⋅ ∆O2 min = 8,881 ⋅ 21

- množství spalovacího vzduchu ve spalinách navíc:

∆ O 2 min =

- množství kyslíku ve spalinách navíc:

VCO

22,37 = a⋅ ⋅ C = a. ⋅1,863 ⋅ C 12,01

- zvětšení množství CO ve spalinách:

Nedokonalé spalování


- mezi AB a AC dochází k nedokonalému spalování, lze odečíst množství CO a α

- stavy dokonalého spalování leží na přeponě AB

- C - α = 1, nedokonalé spalování, veškerý C shořel na CO

- B - α = 0 ∞, dokonalé spalování, O2 = 21 %, CO2 = 0

- A – α = 1, dokonalé spalování, O2 = 0, CO2 = CO2, amx

- je sestrojen pro konkrétní palivo

- slouží ke kontrole dokonalosti spalování a stanovení parametrů spalování

Ostwaldův trojúhelník

koncentrace složky spalin při jejím úplném vyhoření při α > 1

cs α

Vspv ,t


cαs < cst

cs =

α

t s

Vst + (α − 1) ⋅ Vvzs ,t ⋅ 0,21 + 0,79 ⋅Vvzs ,t ⋅ α

objem spalin při stechiometrickém spalování

Vst

Vst c = v Vsp ,t

koncentrace složky spalin při jejím úplném vyhoření při α = 1

cs t

kde:

Koncentrace produktů ve spalinách


  y  Vvzs , t = 4,76 ⋅ 0,5 ⋅ CO + 0,5 ⋅ H 2 +  x +  ⋅ C x H y + 3,8 ⋅ C m H n − O2  4   

- teoretické množství potřebného spalovacího vzduchu

y y  C x H y +  x +  ⋅ O2 = x ⋅ CO2 + ⋅ H 2 O 4 2 

CxHya nenasycených uhlovodíků CmHn

- k rovnicím uvedeným pro spalování tuhých paliv přibývají rovnice pro spalování nasycených

Spalování plynných paliv

y ⋅ C x H y + 2,4 ⋅ C m H n + (ν − 1) ⋅ Vvzs , t 2


V N 2 = N 2 + 0,79 ⋅ Vvzv , t

- objem dusíku ve spalinách

VH 2O = H 2 +

- množství vzniklé vodní páry

VCO 2 = CO + x ⋅ C x H y + 2,6 ⋅ C m H n + CO2

- množství vzniklého CO2

Vvzv , t = VCO 2 + V H 2O + V N 2

- teoretické množství vlhkých spalin

Spalování plynných paliv


- nadstechiometrické – α > 1, ve spalinách se objeví nezreagovaný kyslík

vzduchu jaké je potřeba na dokonalé vyhoření paliva

- stechiometrické – α = 1, za ideálních podmínek je palivu přivedeno stejné množství

převedení veškeré hořlaviny do plynného stavu

- podstechiometrické – α < 1, přivedené množství vzduchu nestačí na

- nedokonalé – tuhé zbytky po spalování obsahují více než 5% nedopalu

nedopalu v tuhých zbytcích po spalování do 5%

- za hranici dokonalosti spalování je považována hodnota

- dokonalé – veškerá hořlavina přivedená v palivu se přemění na plynnou fázi

Druhy spalování


plynu je nad úletovou rychlostí, jedná se v podstatě o pneumatickou dopravu

prášková- tuhé palivo se spaluje ve formě prášku v letu v prostoru ohniště, rychlost proudění

rychlostí fluidace, ale je nižší než úletová rychlost

fluidní - kusové palivo se spaluje ve vznosu, rychlost proudění plynu a částic je nad prahovou

rychlostí, při které nedochází k výraznému únosu tuhých složek paliva

roštová - kusové palivo je spalováno na pohybujícím se roštu, spalovací vzduch proudí roštnicemi

Rozdělení ohnišť z hlediska rychlosti proudění plynu:

požadovanou teplotu

membránovými stěnami, v němž se spaluje určité množství paliva a ochlazování spalin na

Ohniště - prostor vymezený nechlazenými keramickými nebo vodou chlazenými celokovovými

Ohniště

prahová rychlost fluidace úletová rychlost mezivrstvy výška vrstvy prahová výška vrstvy výška expandující vrstvy úletová výška vrstvy

wP wU H0 HP HE HU


rychlost proudění mezivrstvy

wM

Dělení ohnišť

transformaci chemické energie paliva (nebo druhotných zdrojů energie) na


- horkovodní kotle – horká voda o tlaku nad 0,2 MPa a teplotě nad 115 °C

– parní kotle – přehřátá pára s parametry 10-13 MPa, 450-550 °C

Rozdělení kotlů podle pracovního média

tepelnou energii pracovního média

– dochází k

spalovacího vzduchu, parní generátor, transformátor)

– systém mnoha zařízení (ohniště, výhřevné plochy, systémy dopravy a úpravy paliva a

Spalovací zařízení (kotel)

Spalovací zařízení pro spalování tuhých paliv


měnit svůj výkon podle požadovaného výkonu kotle

- shromažďovat tuhé zbytky po spalování (škváru), popř. zajišťovat jejich odvod z ohniště;

- umožnit postupné vysušení paliva, zahřátí na zápalnou teplotu, hoření a dokonalé vyhoření

probíhalo při optimálním přebytku vzduchu

- zajištění přívodu spalovacího vzduchu do jednotlivých míst plochy roštu tak, aby spalování

Funkce roštu

- s mechanickým roštem

- s pevným roštem

- kotel s nižším výkonem (0,25 - 150 MWt)

- výkon ohniště je značně omezen šířkou a délkou roštu

- spalované palivo má charakteristický rozměr větší než 10 mm

vrstvy pro spalovací vzduch

- palivo leží na roštu ve vrstvě, jejíž tloušťka závisí na tepelném výkonu ohniště a prodyšnosti

Roštová ohniště


- černá uhlí se melou jemněji, reaktivnější hnědá uhlí hruběji

- uhlí se mele velmi jemně (30 až 90 µm z 90 %)

kratší než doba potřebná k dokonalému spálení částečky paliva

- vyhovující účinnost spalování je podmíněna dobou setrvání paliva v ohništi, která musí být

- nosné prostředí - část primárního spalovacího vzduchu nebo spalin

- uhelný prášek se dopravuje ze mlýnů do spalovacího prostoru pneumaticky

- spaluje se jemně mletý prášek přiváděný tryskami hořáků se spalovacím vzduchem

- kotle o větších jmenovitých výkonech (nad 40 MWt) a s vyššími parametry

Prášková ohniště


v silech)

- velmi jemný popílek zanáší výhřevné plochy, chová se jako tekutina (problémy se skladováním

- vyšší investiční náklady (mlecí okruhy) než u roštových ohnišť

- zvýšení vlastní spotřeby energie použitím mlýnů

paliva vrstvou zplodin difúzí, což spalování zpomaluje

- absolutní rychlost proudění vzduchu vrstvou paliva je téměř nulová - kyslík proniká k částečce

povrchu paliva současně klesla relativní rychlost proudění mezi palivem a okysličovadlem

- měrné tepelné zatížení ohniště je zhruba stejné jako u roštových ohnišť - zvětšením měrného

- měrný povrch paliva se rozemletím zvětší více než 200 krát (400 až 1000 m2.kg-1)

Prášková ohniště


- cyklónová

- výtavná

- granulační

Rozdělení práškových ohnišť


- hořáky mohou být umístěny jakýmkoliv způsobem, kromě ve dně ohniště

neboť tepelné toky po šířce stěny jsou rovnoměrnější

- mnohoúhelníkový – umožňuje lepší využití stěn ohniště,

- obdélníkový

takže velikost tepelného toku stěnou v rozích klesá

- příčný řez ohništěm má různý tvar - čtvercový – projevuje se chladicí účinek rohů ohniště,

- odstruskovací zařízení je umístěno pod výsypkou

po spálení

- výsypka je tvořena vyhnutím dvou protilehlých stěn ohniště – usnadňuje odvod tuhých zbytků

- ohniště ve tvaru svislého hranolu s charakteristickým zúžením spodní části - výsypkou

Granulační ohniště


teploty v ohništi)

- zvýšení intenzity směšování - možnost zmenšení přebytku spalovacího vzduchu (další zvýšení

zatížení ohniště

- poslední dvě opatření zajistí shoření paliva na kratší dráze - zvýšení měrného tepelného

- zvětšení intenzity směšování paliva se vzduchem

- zvětšení jemnosti mletí

- zvýšení teploty spalovacího vzduchu:

- vyšší spalovací teplota - snížení chlazení plamene stěnami ohniště

- spalování při vyšších teplotách - roztavení popeloviny a odstranění z ohniště v tekutém stavu

popelovin - vyvinutí výtavných ohnišť

- odstranění potíží se zastruskováním ohniště při spalování paliv s nízkou teplotou měknutí

Výtavná ohniště


- terciární vzduch - axiálně přiváděná část spalovacího vzduchu - zajistí dospálení částic paliva

- spaliny se ohybují po spirále a vystupují zúženým otvorem ve středu protilehlého čela cyklónu

- tangenciální vstup vzduchu zaviřuje pohyb spalin v ohništi

- sekundární vzduch se přivádí tangenciálně tryskami na obvodu cyklónu

kuželovitého čela

- směs paliva a primárního vzduchu vstupuje do cyklónu vířivým hořákem ve středu mírně

- mírně skloněná nebo vodorovná osa

- tvar válce s poměrem délky k průměru 1 až 1,3

Cyklónová ohniště

5 - vstup terciárního vzduchu 6 - výtokový otvor pro strusku

2 - vstup sekundárního vzduchu

3 - pohyb spalin v ohništi


4 - výstupní otvor pro spaliny

1 - vstup paliva a primárního vzduchu


Umístění cyklónového ohniště na kotli


- cyklónové ohniště pracuje jako výtavné

- 3 až 8 % vzduch terciární

- 75 až 80 % vzduch sekundární

- 15 až 20 % vzduch primární

- veškerý objem spalovacího vzduchu se dělí:


80 t/h 508 °C 13,23 MPa 200 °C 2 MPa 83,2 % 99,3 %

parní výkon kotle teplota páry na výstupu tlak páry na výstupu z kotle teplota napájecí vody tlak napájecí vody účinnost kotle účinnost EO


55,3 MW

tepelný výkon kotle

sušicí médium uhlí - spaliny o teplotě 400 °C

palivo - prášek černého uhlí nebo proplástku

třítahový kotel

typu Benson se stropními vířivými hořáky

průtlačný práškový kotel s granulačním ohništěm

Kotel K3 v Teplárně Třebovice

Granulační kotel


sušeno horkým vzduchem

uhlí je mleto v šesti tlukadlových mlýnech a

vychlazovacího prostoru

tavicí prostor oddělen zúžením od

dvoutahový kotel

určen pro černá popelnatá uhlí Qir = 11,5 MJ.kg-1

teplota přehřáté páry 540 oC

tlak páry 13,9 MPa

výtavný kotel bubnový o výkonu 375 t.h-1

Výtavný kotel


- tuhé zbytky po spálení jsou unášeny spalinami z ohniště

- spalovací vzduch vstupuje do spodní části ohniště otvory ve dnu spalovacího prostoru

- částice víří kolem rovnovážné polohy

- rovnovážná poloha menších zrn je ve vyšší rozšířené části ohniště

- větší částice paliva se spalují ve spodní zúžené části spalovacího prostoru s vyšší rychlostí vzduchu

- palivo se přivádí pneumatickým nebo šnekovitým podavačem do spodní části ohniště

- částečky paliva a popílku jsou nadnášeny proudem vzduchu a spalin proudícím svisle vzhůru

- v kypící vrstvě se spaluje drcené palivo

Fluidní ohniště


- spalování probíhá při teplotách 700 až 900 oC a nedochází ke spékání popela

- palivo pro fluidní ohniště se jen drtí

- ohniště opouštějí nejmenší částice (aerodynamický odpor je větší než jejich tíha)

- dlouhá doba pobytu větších částic ve vrstvě

- rychlá odezva parametrů kypící vrstvy na změny pracovního režimu

- intenzivní víření částeček ve vrstvě

(částečky a plynné prostředí, vrstva a stěny fluidního ohniště)

- spalování ve vznosu - charakterizováno velkým hmotovým a tepelným přenosem uvnitř vrstvy

Fluidní ohniště


- obsahuje-li palivo málo popelovin, přidávají se popeloviny uměle

- lze spalovat různé druhy paliv (i méněhodnotná paliva)

- spotřeba energie na dezintegraci paliva je menší než u práškových kotlů

- velikost částic paliva spalovaného ve fluidní vrstvě bývá v rozsahu 0 až 6 mm

- dávkování vápence - omezení tvorba kyslíků síry, zabránění nízkoteplotovým

- na trubkách výhřevných ploch umístěných ve fluidní vrstvě nemohou vzniknout nánosy

- tepelné toky do výhřevné plochy jsou 2 až 3 krát větší než u konvekčních ploch běžného kotle

600 W.m-2.K-1)

- vířením částic ve fluidní vrstvě je přestup tepla do výhřevné plochy značně intenzivní (α α = 200 až

Fluidní ohniště


částí

- Ignifluid – přechod mezi roštovým a fluidním ohništěm, spalování v nehybné vrstvě s nakypřenou

- s cirkulující fluidní vrstvou – částice ve vrstvě obíhají přes cyklon zpět do ohniště dokud nevyhoří

- se stacionární fluidní vrstvou – spalování ve vznosu s rozeznatelnou hladinou vrstvy

- přetlaková – zvýšení tlakových poměrů v ohništi, zvýšení účinnosti spalování

- atmosférická - spalování probíhá za tlaku přibližně stejném jako je v okolní atmosféře

Dělení fluidních ohnišť


Spalovací zařízení pro spalování plynných a kapalných paliv


Spalovací zařízení pro spalování plynných a kapalných paliv

napájecí voda

pára

chladicí věž

pára

turbína

mokrá pára

kondenzátor

transformátor

teplo

elektrická energie


palivo

vzduch

kotel

Teplárna

a přihříváku páry

teplo odvedené z ohniště vodou v ohříváku vody a páře v přehříváku

cizím zdrojem tepla (kotle na odpadní teplo)

obsažené v palivu, teplo spalovacího vzduchu a předehřátých plynů

teplo přivedené do ohniště zahrnující chemické a fyzické teplo

1

2


Q2

Q1

Q η = 100 ⋅ Q

Stanovení účinnosti kotlů přímou metodou

ztráta citelným teplem spalin (komínová)

ztráta teplem chladicí vody

ztráta sdílením tepla do okolí

ξK

ξSV

ξCH

SV

+ ξ

CH


ztráta fyzickým teplem tuhých zbytků po spalování

K

ξF

F

+ ξ + ξ + ξ

ztráta hořlavinou ve spalinách

CO

ξCO

C

= ξ + ξ

ztráta hořlavinou v tuhých zbytcích

Ci

Ci

ξC

i

∑ξ

i

η = 100 − ∑ ξ

Stanovení účinnosti kotlů nepřímou metodou

Cs


mlecím okruhem)

ztráta hořlavinou v uhelném prášku v brýdách (práškové kotle s otevřeným

Cb

ξCb

+ ξ

ztráta hořlavinou v propadu (roštové kotle)

Cr

ξCr

+ ξ

ztráta hořlavinou v úletu (TZL odcházející komínem)

C1

ξCl

+ ξ

ztráta hořlavinou v popílku (tj. zachycené TZL v odlučovači)

Cp

ξCp

= ξ + ξ

ztráta hořlavinou ve škváře nebo ve strusce (tj. v ohništi)

i

Ci

ξCs

C

ξ = ∑ξ

pro spalování tuhých paliv

Ztráta hořlavinou v tuhých zbytcích ξCs

i

obsah popela zachyceného v palivu v uvažovaném druhu tuhých zbytků,

Xi

teplo přivedené do kotle spálením 1 kg paliva [kJ/kg]

výhřevnost hořlaviny v uvažovaném druhu tuhých zbytků [%], lze uvažovat

ql

QiCi


s hodnotou 32 600 kJ/kg (pro C jako hořlavinu)

obsah popela ve spalovaném palivu [%]

Ar

vztažený k obsahu popela v palivu přivedeném do kotle [%]

obsah hořlaviny v uvažovaném druhu tuhých zbytků [%]

l

Ci

i

iCi

ztráta hořlavinou v uvažovaném druhu tuhých zbytků [%]

Ci

i

ξCi

ξ

r

C X A = ⋅Q ⋅ ⋅ 100 − C 100 q

pro ξCi , kde i = s, p, l, b, platí:

Ztráta hořlavinou v tuhých zbytcích ξCs


pro plynná paliva je vždy ξC = 0

pro kapalná paliva je obvykle ξC = 0

qi = Qir

v cizím zdroji [kJ/m3]

přírůstek entalpie spalovacího vzduchu za normálních podmínek ohřátého

Nejčastěji však lze uvažovat

∆iVZ

objem vzduchu za normálních podmínek, který je přiveden za účelem

VVZ

spálení 1 kg paliva [m3/kg]

podíl vzduchu ohřívaného cizím zdrojem k celkovému množství

VZ

x

⋅ ∆i

přírůstek entalpie paliva po předehřátí v cizím zdroji [kJ/kg]

VZ

+ x⋅ V

∆iPV

PV

výhřevnost paliva [kJ/kg]

i

Qir

l

r

q = Q + ∆i

Teplo přivedené do kotle spálením 1 kg paliva

obsah CH4 a vyšších uhlovodíků v plynných spalinách [%]

teplo přivedené do kotle spálením 1 kg paliva [kJ/kg, kJ/m3]

objem suchých spalin (při normálních podmínkách) vzniklých z 1 kg (m3)

ωCH4

ql

VPS

PS

⋅V


paliva [m3/kg, m3/m3]

obsah H2 v plynných spalinách [%]

ωH2

CH4

obsah CO v plynných spalinách [%]

l

H2

ωCO

CO


C

ξC

CO

ξ

100 − ξ 12610⋅ ω + 10798⋅ ω + 35818⋅ ω = ⋅ 100 q

Ztráta hořlavinou ve spalinách ξCO

Fr

ztráta fyzickým teplem v propadu (roštové kotle)

ξCr


ztráta fyzickým teplem v úletu (TZL odcházející komínem)

ξCl

F1

ztráta fyzickým teplem v popílku (tj. zachycené TZL v odlučovači)

Fp

ξCp

Fs

ztráta fyzickým teplem ve škváře nebo ve strusce (tj. v ohništi)

i

Fi

ξCs

F

ξ = ∑ξ = ξ + ξ + ξ + ξ

Ztráta fyzickým teplem tuhých zbytků po spalování ξF

i

obsah popela ve spalovaném palivu [%]

Ar


obsah hořlaviny v uvažovaném druhu tuhých zbytků [%]

Ci

vztažený k obsahu popela v palivu přivedeném do kotle [%]

obsah popela zachyceného v palivu v uvažovaném druhu tuhých zbytků,

l

Xi

i

i

ztráta fyzickým teplem v uvažovaném druhu tuhých zbytků [%]

Fi

i

ξFi

ξ

r

X A = ⋅c ⋅t ⋅ 100 − C q

pro ξFi , kde i = s, p, l, r, platí:


i

Hodnoty ztrát fyzickým teplem v úletu a propadu jsou zanedbatelně malé

teplota tuhých zbytků [°C]


ti

teplotě ti [kJ/kg/K]

střední měrná tepelná kapacita uvažovaného druhu tuhých zbytků při

ci

l


i

i

ql

Fi

i

X A ⋅c ⋅t ξ = ⋅ 100 − C q

r


teplota spalin odcházejících z kotle [°C]

teplota vzduchu vstupujícího do kotle [°C]


tK

tVZ

ql


střední měrná tepelná kapacita vlhkého vzduchu při teplotě tK [kJ/kg/K]

[m3/kg, m3/m3]

cPV

paliva

objem vlhkých spalin (při normálních podmínkách) vzniklých z 1 kg (m3)

l

VZ

VPV

C

K

⋅ (t − t ) q


K

= (100 − ξ ) ⋅ PV

ξC

ξ PV

V ⋅c

Ztráta citelným teplem spalin (komínová) ξK

je závislá na velikosti jmenovitého a okamžitého výkonu kotle

ztráta sáláním a vedením tepla do okolí

-

-


její velikost se určí z nomogramu

-

Ztráta sdílením tepla do okolí ξCH

zvýšení úmrtnosti, počtu nemocných, otrav

člověk musí dýchat i inertní složky (N2), vzduch (79% N2, 21% O2)

čisté ovzduší nikdy neexistovalo – rozklad živočichů a rostlin, požáry

od r. 1850 nárůst znečištění ovzduší – rozvoj uhelných technologií

smog (smoke a fog – kouř a mlha) – ve všech velkých městech

čistý vzduch stojí mnoho peněz, ale znečištěný ještě víc (zdravotně nezávadné

-

-

-

-

-

-

svým působením poškozuje zdraví lidí, organismů a majetek

-


tuhé, kapalné a plynné znečišťující látky

-

ovzduší je levnější, než platba za škody znečištěním způsobených)

způsobují nejen vizuální nepříjemnosti, ale také zdravotní

-

Znečištění ovzduší

Vliv spalovacích procesů na ŽP

imise


emise

- škodlivé látky v přízemní vrstvě atmosféry

- znečištění ovzduší, obsah látek v ovzduší v takové míře, že se nepříznivě projeví na životním prostředí - stav

Imise

- znečištění, tepla, hluku, elektromagnetického záření, radioaktivních prvků

- znečišťování ovzduší – vypouštění znečišťujících látek do ovzduší – děj

Emise

Definice emisí a imisí

jiné plyny 4%

NOx 15%

CO 16%


SO2 35%

TZL 30%

Podíl škodlivin na celkovém znečištění

prach – polétavý, jemný, hrubý, různé nečistoty, kouř, prachový aerosol

jsou zadrženy v alveolách vydechujeme

0,25 – 0,5 µm – – –

< 0,25 µm

< 0,1 µm

-

-

-


se shlukují do větších celků – koagulují

ulpívají po nárazu na předmětech, při vzájemných nárazech

sedimentují

–

0,1 – 0,5 µm

-

při vdechnutí jsou zadrženy v dýchacích cestách

–

> 0,5 µm

-

Rozlišení podle velikosti částic:

-

Složení:

Tuhé znečišťující látky

antropogenní činnost – markantní podíl

hlavní producenti PZL – energetika, hutnictví, chemický průmysl, koksárenství

oxidy síry

oxidy uhlíku

oxidy dusíku

-

-

-

-

-


výbuchy sopek, požáry lesů – zanedbatelné množství

-

Plynné znečišťující látky

formy S (elementární, organická, sirníková – spalitelné, sirníková – nespalitelná)

ze známého obsahu Sr v palivu:

-

-

O2

SO2

tuhá paliva 19 · Sr [ kg SO2/ t paliva ] (5% přejde do popele – nespalitelná S)


+

některá uhlí obsahují více než 5 % S (severočeská U 1 – 4 % S, ostravská U 0,7 % S )

-

S

výroba kys. sírové

-

kapalná paliva 20 · Sr [ kg SO2/ t paliva ]

spalování uhlí, energetika

-

SO2 – hlavní znečišťující složka (velká množství, velmi nepříznivé účinky)

Sloučeniny síry

H2O

1/2O2 SO3 SO3 H2SO4

SO3

H2SO4 reaguje s alkalickými prachovými částicemi za vzniku síranů

je – li v ovzduší nedostatek částic, dostává se H2SO4 do srážkových vod – okyselení na pH < 4

takto vznikají kyselé deště – uvolňují z půdy Cu, Pb, Cd a poškozují půdní mikroorganismy a

-

-

-


vodu

SO3 je okamžitě hydratován vzdušnou vlhkostí na aerosol H2SO4

přítomnost katalyzátorů

rychlost oxidace SO2 na SO3 závisí na povětrnostních podmínkách - teplota, sluneční svit,

+

SO3

+

-

-

SO3

SO2

Podoby síry

malé koncentrace SO2 – hynutí lišejníků

poškození fotosyntetického aparátu vyšších rostlin, nejvíce působí na jehličnany

-

-

zemřelo okolo 4000 lidí

r. 1952 – Londýn – největší smogová katastrofa φ SO2 1800, max. 3800 µg/m3 –

100 µg/m3 – dráždění očí a horních dýchacích cest

500 µg/m3 – poškození činnosti mozkové kůry

2500 µg/m3 – snižuje průchodnost kyslíku v plících - udušení

-

-

-


50 µg/m3 – dlouhodobě – choroby krevního oběhu, bronchitida, zvýšení úmrtnosti

-

Koncentrace s vyššími hodnotami způsobují:

-

zvýšení akutního a chronického astma, bronchitidy, rozedmy plic

-

(neopadávají, zvýšené koncentrace)

poškození dýchacích cest

-

Fyziologické působení SO2

patří zde NO2, NO (90%), N2O, N2O4 (dimer), (N2O3)

producenti – spalovací zařízení s vysokými teplotami

-

-

palivové - oxidace N chemicky vázaného v palivu

promptní – chemicky vázaný N radikálovými reakcemi na rozhraní plamene

-

-


vysokoteplotní – oxidace N ze spalovacího vzduchu za vysoké teploty

-

Druhy NOX:

souhrnně se označují jako NOX

-

Sloučeniny dusíku

na topný olej – 500 – 1500 mg/m3

granulační – 800 – 1700 mg/m3

výtavné – 1600 – 1700 mg/m3

fluidní – do 800 mg/m3

automobily – nad 1000 mg/m3 (snížení v třísložkových katalyzátorech)

-

-

-

-

-

imisní limit – 100 µmg/m3

-


– 200 µmg/m3 krátkodobé maximum

emisní limit – 650 mg/m3 (výtavné kotle 1100 mg/m3)

-

Limity NOX:

plynové – 240 – 1400 mg/m3

-

Velikosti emisí NOX u různých typů kotlů:

Emise dusíku

váže se na hemoglobin – zhoršuje transfer O2 z plic do krevního oběhu

vznik nádorových onemocnění, onemocnění dýchacích cest

zvyšuje oxidační potenciál atmosféry

novodobé smogy – vysoký obsah NOX

-

-

-

-


nepříznivě působí na vnitřní orgány lidí

-

Fyziologické působení NOX

Al – ukládá se v nervových buňkách a způsobuje demenci

-

pH < 4 – přežívá jen málo citlivý hmyz

poškození a ztráta listí a jehličí

vyluhování živin z rostlin a uvolnění toxických látek

zapříčiňuje korozi, poškozuje historické budovy a stavby

-

-

-

-


při pH 6 hynou korýši a měkkýši

-

– předčasné stařecké oslabení rozumových schopností

uvolňují těžké kovy z půdy – dostávají se do potravního řetězce

-

Působení kyselých dešťů

– snížení produkce energie z vodních děl

teploty o 1°C)

– zmenšení odtoku vod o 10 % (při zvýšení


oteplení způsobí

– útlum vodních srážek

skleníkové plyny propustí sluneční záření, ale zadrží od země odražené

-

-

hlavní příčinou jsou skleníkové plyny

-

dlouhovlnné záření

střídání mezidob oteplování a ochlazování

-

Globální oteplování země

dominantním plynem je vodní pára – podílí se 60 – 70 % na skleníkovém efektu

CO2 – 25 % podíl na skleníkovém efektu

obě účinnosti nelze sčítat, protože se pásma H2O a CO2 překrývají

-

-

-

0,6 Mt ročně na celém světě

vysoce stabilní produkty – setrvání v atmosféře až 500 let

-

-


třetí nejúčinnější plyny z hlediska skleníkového efektu

-

Halogenové uhlovodíky

H2O, CO2, CH4, N2O, freony, troposférický ozon

-

Hlavní skleníkové plyny

pro stabilizaci současného stavu je nutno snížit produkci o 50 – 60 %

-

kg CO2 1,3 2,0 2,2 3,0 3,1 3,2

další významný plyn 1,7 ppm, důlní činnost těžba a doprava plynů a uhlí potřebné snížení o 15 – 20 %

-


1 kg paliva HU ZP ČU benzín, nafta TTO, LTO koks

CH4

ročně se celosvětově vyprodukuje asi 20 Gt

-

Produkce CO2 při spalování:

současně přes 350 ppm

-

CO2

Hlavní skleníkové plyny

O3

NO

+

> 10000 µg/m3 smrtelná koncentrace

-

O


> 200 µg/m3

dráždění očí, sliznic v nose, kašel, bolesti hlavy

O2

-

Limity O3

+

O

převážná část O3 vzniká fytolýzou NO2

-

+

zpomaluje růst a vývin kořínků vegetace

-

NO2

bezbarvý, jedovatý plyn

-

Ozon O3

oxid uhelnatý

polycyklické aromatické uhlovodíky

polychlorované bifenyly

-

-

-

část se váže fotosyntézou v rostlinách

část je zachycována ve světových oceánech

způsobuje doplňkový skleníkový efekt

-

-

-


produkt dýchání, vulkanické činnosti, rozkladu organických látek, spalování

-

Oxid uhličitý

oxid uhličitý

-

Sloučeniny uhlíku

součást kouřových výfukových plynů

je obsažen v koksárenském, vysokopecním a degazačním plynu

oxidace – přechod na CO2 vyžaduje několik měsíců až let

silně toxický

s hemoglobinem vytváří pevný karboxyhemoglobin

váže se několikrát rychleji na krev než O2, vede k udušení, otravě

-

-

-

-

-

-


produkt nedokonalého spalování

-

Oxid uhelnatý CO:

Sloučeniny uhlíku

Základy spalování. Energetická hodnota paliva, spalné teplo, výhřevnost Statika spalování tuhých a kapalných paliv

Recommend Documents