Výpočty spaľovacích procesov

1. Výpočty spaľovacích procesov

2. Chemické zloženie palív Zloženie tuhých a kvapalných palív Zloženie plynných palív

3. Zloženie tuhých a kvapalných palív (odpadov)

4. nepresné určovanie organických zlúčenín, tvoriacich horľavinu (zlúčenín C, H, O, N. S) • elementárna analýza(percentuálny podiel hmotností prvkov v horľavine) • nehorľavé látky – obsah popola (A) a vody (W) sa určia spálením resp. sušením • C + H + O + N+ Scelk + A + W = 100%

5. Imediátna technická analýza • okrem stanovenia obsahu vlhkosti a popola stanoví aj prchavé zložky( • prchavé zložky – látky, ktoré vyprchajú pri zahrievaní z téglika bez prístupu vzduchu pri teplote 850 °C (okrem vody) • PZ + V + A + W = 100% (PZ – pevný zvyšok v tégliku, V-prchavá horľavina, A- obsah popola, W - obsah vody)

6. Horľavina • Je podiel paliva po odčítaní nehorľavých látok (popol a voda) • Skladá sa z C, H, O, H, Sprch

7. Uhlík - C • Qn = 33 900 kJkg-1 • hlavný nositeľ tepelnej energie • nachádza sa vo forme organických zlúčenín

8. Vodík - H • Qn = 119 700 kJkg-1 • celkový vodík – skladá sa z vodíka viazaného a neviazaného HC = HV + HN • viazaný vodík – HV – viazaný na kyslík • neviazaný vodík –HN –zvýši po zlúčení s celým obsahom kyslíka HN =H-O/8

9. Síra - S • je nežiadúca – zvyšuje výhrevnosť • produkty horenia síry - SO2 a SO3 • kratšia trvanlivosť spaľovacích zariadení • znečistenie ovzdušia

10. Kyslík - O • Nežiadúca súčasť • Viaže sa na H a C

11. Dusík - N • nezúčastňuje sa na reakcii horenia • podieľa sa na tvorbe NOX • znižuje obsah iných zložiek • znižuje výhrevnosť

12. Zloženie plynných palív (odpadových plynov) • horľavé plyny – H2, CO, metán, H2S a nenasýtené uhľovodíky • nehorľavé plyny – N2, CO2, O2, H2O, SO2

13. Spalné teplo a výhrevnosť palív (horľavých odpadov) • spaliny – produkty spaľovania (vznikli zlúčením paliva a kyslíka) • spalné teplo - Qv – množstvo tepla, ktoré sa uvoľní pri dokonalom spaľovaní, za predpokladu, že sa spaliny ochladia na 0°C a všetka vzniknutá para sa skondenzuje • výhrevnosť paliva - Qn – množstvo tepla uvoľnené pri dokonalom spaľovaní mernej jednotky paliva pri ochladení na 0°C, vlhkosť zostane v spalinách ako vodná para Qn = Qv – 2500mH2O kJkg-1 (Qn- výhrevnosť paliva, Qv – spalné teplo, mH2O- množstvo vodnej pary)

14. Tuhé a kvapalné palivá • tuhé palivá Qv = 339C + 1440 (H-1/8O) + 105S Qv = 339C + 1214 (H-1/8O) +105S – 25W • kvapalné palivá (Mendelejevova rovnica) Qv = 339C + 1256H + 109 (O-S) Qv = 339C + 1030H + 109 (O-S) – 25W C, H, O, S, W sú hmotnostné percentá uhlíka, vodíka, kyslína, síry a vlhkosti v palive (odpade) %

15. Plynné palivá • Spalné teplo a výhrevnosť plynných palív sa počíta ako súčet spalných tepiel a výhrevnosti jednotlivých plynov QV = V1Qv,1+V2Qv,2+...+ VnQv,n Qn = V1Qn,1+V2Qn,2+...+ VnQn,n kde V1 až Vn je objem jednotlivých plynov v 1mN-3

16. Plyn Qn, kJ.mN-3 Qn, kJ.mN-3 Vodík 12 790 10 752 Oxid uhoľnatý 12 702 12 702 Metán 39 888 35 847 Etán 69 250 64 310 Propán 101 823 93 575 n-bután 134 020 123 552 Izobután 132 010 121 627 Etylén 64 016 59 955 Propylén 94 370 88 216 Butylén 121 878 113 839 Acetylén 58 992 56 940 Zmes uhľovodíkov CmHn (2,4 mN3 H2+ 1400 g C) 78 168 73 269 Spalné teplo a výhrevnosť rôznych plynov

17. Spaľovanie palív (odpadov) • zahrievanie za prítomnosti vzduchu – spaľovanie • zahrievanie za obmedzeného prístupu vzduchu – splyňovanie • zahrievanie bez prístupu vzduchu - pyrolýza

18. Podmienky spaľovania Spaľovanie prebieha len ak sú splnené dve základné podmienky: • palivo (odpad) musí byť v styku s okysličovadlom • zmes paliva a okysličovadla musí byť zahriata na zápalnú teplotu

19. Rozmedzie vznietenia • Dolné – najmenší podiel paliva v objemových percentách zmesi • Horné - najväčší podiel paliva v objemových percentách zmesi

20. Zápalná teplota • je teplota, pri ktorej prebieha horenie paliva bez prívodu tepla z vonkajšieho prostredia • je teplota, pri ktorej rýchlosť oxidačnej reakcie je taká vysoká, že teplo, ktoré sa pri nej uvoľní je väčšie ako teplo odovzdané do okolia

21. Palivo Zápalná teplota °C Rozmedzie vznietenia Dolné objemové % Horné objemové % Vodík 530 4,0 74,2 Oxid uhoľnatý 610 12,5 74,2 Metán 645 5,0 15,0 Vysokopecný plyn 35-40 65-75 Generátorový plyn 700 25 75 Koksárenský plyn 560 5 30 Svietiplyn 560 6 35 Zemný plyn 645 4 17 Zápalné teploty a rozmedzia vznietenia

22. Tuhé palivá Zápalná teplota °C Kvapalné palivá Zápalná teplota °C Drevo – mäkké tvrdé 220 (tvrdé 300) Benzín 330-520 Vysušená rašelina 225-280 Benzol 520-600 Hnedé uhlie 200-240 Vykurovací olej 212 Čierne uhlie 220-240 Olej z hnedouhoľného dechtu 360 Antracit 220-340 Olej z čiernouhoľného dechtu 315 Drevné uhlie 485 Polokoks 144 Petrolejový koks 411 Smolný koks 544-582 Čiernouhoľný koks 500-600 Zápalné teploty rôznych druhov pevných a kvapalných palív

23. Horenie plynných palív • prebieha vo veľmi tenkej vrstve, ktorá oddeľuje palivá a spaľovaný vzduch • prebiehajú tu chemické reakcie horenia • oblasť sa nazýva front horenia • teplo uvoľnené horením palivá predhrieva a zapaľuje

24. Normálna rýchlosť šírenia plameňa - un • Ak je rúrke nehybná zmes paliva a spaľovaného vzduchu potom sa front horenia bude premiestňovať v smere kolmom na povrch frontu • Táto rýchlosť s nazýva normálnou rýchlosťou šírenia plameňa • Ak je pre danú zmes na jednotku povrchu frontu horenia zhorí za jednu s rovnaké množstvo paliva m, tak pri posunutí rovinného frontu horenia je normálna rýchlosť šírenia plameňa daná vzťahom un = m/ρ (ms-1) m – rýchlosť horenia kgm-2s-1, ρ – merná hmotnosť pôvodného chladného plynu kgm-3

25. Normálna rýchlosť šírenia plameňa pre zmes niekoľkých horľavých plynov CO, H2, CH4 – obsahy jednotlivých horľavých zložiek v zmesi so vzduchom v obj. % unCO – normálna rýchlosť šírenia plameňa jednotlivej horľavej zložky, ms-1

26. Normálna rýchlosť šírenia plameňa závisí: • koncentrácie horľavej látky • tlaku • teploty

27. Horenie kvapalných palív • kvapalné palivá sa nespaľujú priamo, ale po rozprášení • pre rozprášenie kvapalného paliva sa používa: - samotné palivo pri vysokom tlaku - ventilátorový vzduch - predhriaty stlačený vzduch alebo vysokotlaká para

28. Horenie tuhého paliva • tuhé palivo sa pred vlastným spaľovaním najprv zahrieva • nastane termický rozklad organickej hmoty paliva • dva spôsoby: • horenie tuhého paliva vo vrstve • horenie tuhého paliva v prášku

29. Stechiometria spaľovacích procesov Stanovuje sa : • výhrevnosť paliva (odpadu) • množstvo O (vzduchu) potrebného k dokonalému spaľovaniu paliva (odpadu) • množstvo a zloženie spalín • adiabatická, teoretická a praktická spalná teplota

30. Výpočty spotreby vzduchu a množstva spalín • Dokonalé spaľovanie • Nedokonalé spaľovanie • Zmiešané spaľovanie

31. Dokonalé spaľovanie • Nastane spálenie všetkých horľavých zložiek v palive • C + O2 = C O2 • Dokonale spaľovanie s teoretickým prebytkom vzduchu (Lmin), ktoré sa dá vypočítať zo stechiometrických vzťahov spaľovacích rovníc je možné dosiahnuť len pri dokonalom premiešaní a pri ideálnych podmienkach • V skutočnosti – prebytok vzduchu

32. Súčiniteľ prebytku vzduchu • Pomer medzi skutočnou a teoretickou spotrebou vzduchu

33. Druh paliva n Kusové uhlie 1,5-2,0 Tuhý odpad 1,6-2,5 Práškové hnedé uhlie 1,15-1,30 Práškové čierne uhlie 1,15-1,30 Vykurovací olej 1,1-1,3 Koksárenský plyn 1,05-1,1 Zemný plyn 1,05-1,1 Vysokopecný plyn 1,15-1,20 Hodnoty súčiniteľa prebytku vzduchu n pre rôzne palivá

34. Nedokonalé spaľovanie • V spalinách sa nachádza určité množstvo spaľovaných látok • C+1/2O2=CO • n〈1 • n≥1 pri nedokonalom zmiešaní paliva s oxidačným činidlom

35. Zmiešané spaľovanie • ak spaliny obsahujú CO2 aj CO

36. Spôsoby výpočtov spotreby vzduchu a množstva spalín • Podľa údajov elementárnej analýzy pomocou stechiometrických rovníc (analytický spôsob) • Pomocou približných vzorcov, odlišných pre rôzne druhy paliva (na základe výhrevnosti) • Grafickými metódami

37. Stechiometrické výpočty • Predpokladá sa dokonalé spaľovanie • Výpočet sa zjednodušuje zaokrúhlením molekulových hmotností a objemov • Ako okysličovadlo sa používa suchý vzduch

38. Zjednodušené zloženie suchého vzduchu • objemovo • (21% O2, 79% N2) • Hmotnostne • 23,1% O2, 76,9%N2

39. Spalná teplota • Charakterizuje palivo vzhľadom k jeho technologickému použitiu • Stanovuje sa z rovnice tepelnej rovnováhy Qch+Qp+Qvz= Qsp+Qned+Qdis +Qz (kJkg-1)

40. Príjem tepla Qch+Qp+Qvz= Qsp+Qned+Qdis +Qz (kJkg-1) • Príjem tepla: (Qch-chemické teplo, ktoré je určené výhrevnosťou paliva Qpenatetalpia predhriateho paliva) Qp=cptp Qvz- entalpia predhriateho vzduchu Qvz= cvz tvznLmin

41. Výdaj tepla • Qch+Qp+Qvz= Qsp+Qned+Qdis +Qz (kJkg-1) • Qsp- entalpia spalín Qsp= Vsp csp tsp Qned – chemický a mechanický nedopal Qdis – disociačné teplo Qz- teplo odvedené do konštrukcie pece a do okolia

42. Výpočet teploty spalín , ktorá charakterizuje spalnú teplotu paliva • Tsp = Qch+ Qp+ Qvz-Qned-Qdis-Qz/Vsp. csp

43. Základné druhy spalných teplôt • Adiabatická • Teoretická • Praktická

44. Adiabatická spalná teplota ta ta = Qn /Vsp,mincsp

45. Teoretická spalná teplota tt tt=Qn+ Qp+ Qvz/ Vsp. csp

46. Praktická spalná teplota tp • tp= Qch+ Qp+ Qvz- Qned- Qdis- Qz/ Vsp. Csp • Prepočet cez pyrometrický efekt Tp= tt. „ný“pyr

47. Cvičenie č.: 2

48. Výpočty spotreby vzduchu a množstva spalín Dva spôsoby: • analytický spôsob - podľa údajov elementárnej analýzy pomocou stechiometrických rovníc • pomocou približných vzorcov, odlišných pre rôzne druhy palív – na základe výhrevnosti • grafickými metódami

49. Spaľovanie odpadov • používa sa analytický spôsob • predpokladá sa dokonalé spaľovanie • výpočet sa zjednodušuje zaokrúhlením molekulových hmotností a molekulových objemov • ako okysličovadlo sa používa suchý vzduch

50. Objemové zloženie suchého vzduchu • 21% O2, 79% N2 • pomer kyslíka, dusíka a vzduchu • O2:N2:vzduch = 21/21:79/21:100/21 = 1:3,76:4,76