Miernictwo energetyczne – laboratorium Techniczna analiza spalin

Katedra Termodynamiki, Teorii Maszyn i Urządzeń Cieplnych W9/K2
Miernictwo energetyczne – laboratorium
Techniczna analiza spalin
Instrukcja do ćwiczenia nr 5
Opracował: dr inż. W. Wędrychowicz
Wrocław, październik 2015 r.
1. Wstęp
W gazach spalinowych, w zależności od rodzaju spalanego paliwa i sposobu spalania,
występują przeważnie azot, dwutlenek węgla, para wodna, tlen, tlenek węgla, dwutlenek i
trójtlenek siarki, a w śladowych ilościach również węglowodory, wodór, tlenki azotu i gazy
szlachetne.
Analiza gazów spalinowych umożliwia kontrolę procesu spalania, która sprowadza się
do określenia następujących wielkości:
- współczynnika nadmiaru powietrza,
- straty niezupełnego spalania,
- wskaźnika toksyczności gazów spalinowych.
Jednym z podstawowych parametrów sterującym procesem spalania jest współczynnik
nadmiaru powietrza. Jest on definiowany jako stosunek ilości powietrza doprowadzonego do
urządzenia, w którym realizuje się proces spalania do ilości powietrza teoretycznie
niezbędnego do utlenienia wszystkich składników palnych zawartych w paliwie.
=
.
(1)
.
gdzie:
Vrzecz. – jest rzeczywistą ilością powietrza
Vteor. – jest teoretyczną ilością powietrza
Na podstawie analizy spalin, współczynnik nadmiaru powietrza oblicza się z zależności:
n=
(2)
w której tlen, tlenek węgla i azot są ich procentowymi udziałami objętościowymi w spalinach.
W przypadku paliw gazowych zawierających tlen i azot współczynnik nadmiaru powietrza
oblicza się z następującego wzoru:
n=
1+
. .
(3)
.
w którym dodatkowo ujęty jest azot zawarty w paliwie (N2 w pal.g.) oraz tlen (O2 teor.)
teoretycznie potrzebny do spalenia związków palnych zawartych w paliwie a wyznaczany z
zależności na podstawie składu chemicznego paliwa:
O
.
= (H + CO) + 2CH + 3,5C H + 3C H + 2,5C H − O
.
(4)
Właściwy współczynnik nadmiaru powietrza zapewnia optymalne warunki spalania. Zbyt
wysoki współczynnik nadmiaru powietrza powoduje zwiększenie straty wylotowej gdyż
zwiększona ilość ogrzewanych gazów nie biorących udziału w procesie spalania unosi ciepło
do komina. Jeżeli współczynnik jest zbyt niski występuje niezupełne spalanie, wtedy nie cała
energia chemiczna zawarta w paliwie zostaje wykorzystana. Przyczyną niecałkowitego
spalania może być również niewłaściwe wymieszanie paliwa z utleniaczem lub zbyt krótkim
czasem przebywania paliwa w przestrzeni komory spalania. Pojawienie się w spalinach tlenku
węgla może być również spowodowane termiczną dysocjacją dwutlenku węgla zachodzącą w
wysokich temperaturach.
2
Straty niezupełnego spalania obliczyć można z zależności:
S =
W równaniu tym , ,
wodoru, metanu;
,
,
metanu w spalinach suchych, a
∙
∙
∙
.
100%
(5)
oznaczają wartości opałowe odpowiednio tlenku węgla,
odpowiednio udziały objętościowe tlenku węgla, wodoru,
. – wartość opałowa paliwa.
Tab. 1. Skład chemiczny ważniejszych paliw gazowych (udziały objętościowe)
Ciepło
spalania
Przybliżony, średni skład gazu w % obj.
Rodzaj gazu
Wartość
opałowa
kJ/Nm-3
CO2
CO
O2
H2
CH4
C2H4
C2H6
C3H8
węglow.
wyższe
N2
gaz miejski
3,2
9,3
0,5
48,8
22
2,8
-
-
0,7
7,4
18840
16957
gaz
koksowniczy
2,5
5,6
0,2
52,3
24,8
1,7
-
-
0,4
12,5
18850
16690
gaz wodny
4,7
39,7
-
50,8
0,8
-
-
-
-
4,0
11875
10770
gaz ziemny
0,5
-
0,4
-
91,6
-
0,8
0,9
0,6
5,2
38720
34830
gaz
generatorowy
4,7
28
-
11,5
0,4
-
-
-
-
55,4
5170
4920
gaz
wielkopiecowy
7,5
29
-
2,5
-
-
-
-
-
61,0
4020
3940
Do głównych zanieczyszczeń środowiska naturalnego należą: dwutlenek węgla, tlenek
węgla oraz tlenki siarki i azotu. Dwutlenek węgla nie jest gazem toksycznym a jego stężenie
nie jest normowane żadnymi przepisami, a informacja o jego zawartości stanowi jedynie
informację o ogólnym zanieczyszczeniu powietrza. Tlenek węgla może towarzyszyć
wszystkim procesom spalania w których spalane jest paliwo zawierające węgiel i jest gazem
silnie toksycznym.
W wyniku spalania paliw zawierających siarkę powstają dwutlenki i trójtlenki siarki
które są związkami silnie toksycznymi.
Toksyczność gazów spalinowych określa się za pomocą wskaźnika toksyczności wg. wzoru:
K=∑
.
(6)
w którym m - oznacza liczbę substancji toksycznych w spalinach, Ci – stężenie i-tej
substancji, Ci dop. – obowiązująca maksymalna wartość stężenia dopuszczalnego i-tej
substancji w powietrzu jednorazowo w ciągu 20 min.
W tabeli przytoczono maksymalne wartości stężenia dopuszczalnego substancji
toksycznych pochodzących od spalin a występujących w powietrzu jednorazowo w ciągu
20 min.
substancja
CO
SO2
NOx
1
Ci dop.
ppm1
2,4
0,188
0,07858
ppm (part per milion) = 0,0001% obj.
3
Wskaźnik toksyczności gazów spalinowych informuje, ile razy należy rozcieńczyć spaliny
powietrzem, ażeby nie zostały przekroczone dopuszczalne stężenia gazów toksycznych w
powietrzu atmosferycznym.
Wartości CO2 max paliw
Paliwo
[CO2]max
Węgiel kamienny
18,4
Gaz ziemny
11,7
Benzyna
15,0
Olej opałowy
16,1
Drewno
20,1
Wartość opałowa paliw
Paliwo
Qi MJ/m3
CO
12,48
H2
10,62
CH4
35,37
Wzory uproszczone obliczenia współczynnika nadmiaru powietrza:
n=
(7)
n=
(8)
n=
(9)
Sprawozdanie:
Wykonać obliczenia współczynnika nadmiaru powietrza wg. wzorów (2, 3, 7, 8, 9).
Obliczyć stratę niezupełnego spalania (wz. 5).
Obliczyć wskaźnik toksyczności spalin (wz. 6).
4