ιαδικασία Ανθρακοποίησης Κατηγοριοποίηση Ανθράκων (ASTM) Καύσιμα και Καύση Καύση Εμμ. Κακαράς, Σωτήριος Καρέλλας, Εργαστήριο Ατμοκινητήρων και

Transcript

1 Καύσια και Καύση..9 Καύση Ε. Κακαράς, Σωτήριος Καρέλλας, Εργαστήριο Ατοκινητήρων και λεβήτων Σχολή ηχανολόγων ηχανικών Εθνικό ετσόβιο Πολυτεχνείο Ηρώων Πολυτεχνείου 9, 578 Ζωγράφου, Αθήνα Eail: URL: Στερεά Καύσια Ορυκτά Καύσια (AST D 388) Τύρφη Λιγνίτης Υποβυτουενιούχος Βυτουενιούχος Ανθρακίτης Βιοάζα (pe-96-) Ξυλώδης Βιοάζα (κλαδέατα, δασικά υπολείατα, πριονίδι) Ποώδης βιοάζα (άχυρο, υπολείατα καλλιεργειών) Βιοάζα από φρούτα (κουκούτσια) Στερεά Καύσια από Ανακτηθέντα από Απορρίατα (pe- 5357) Refse Deived Fel (RDF) Solid Recoveed Fel (SRF) ιαδικασία Ανθρακοποίησης Κατηγοριοποίηση Ανθράκων (AST) Πηγή: Babcock & Wilcox opay: Stea st editio 3

2 Κατηγοριοποίηση Ανθράκων (AST) Λιγνιτικά αποθέατα Ελλάδας 68 λιγνιτοφόρες λεκάνες στον Ελλαδικό χώρο. Τα λιγνιτικά κοιτάσατα που φιλοξενούνται σε αυτές ξεπερνούν τα. Κατανοή των κατηγοριών γαιάνθρακα στα απολήψια αποθέατα της Ελλάδας. Ξυλώδης λιγνίτης % Τυρφώδης λιγνίτης 5% Λιγνίτης 6% Χάρτης λιγνιτικών αποθεάτων στον Ελλαδικό χώρο Πηγή: oal, Powe fo Poess - Wold oal Istitte 5 6 Λιγνιτοφόρες λεκάνες Κοζάνης - Πτολεαΐδας Φλώρινας Σύσταση στερεών καυσίων Τα περισσότερα από τα λιγνιτικά αποθέατα είναι Πλειοκαινικής ηλικίας. Φιλοξενεί τα σηαντικότερα ελληνικά λιγνιτικά αποθέατα (65% των συνολικών αποθεάτων). Στα σύνορα της λεκάνης ε το FYR (στη λεκάνη της Φλώρινας) υπάρχει ένα σηαντικό πεδίο φυσικού και εκεταλλεύεται επορικά από την περιοχή. Συνολική υγρασία Ανόργανα Οργανικά Επιφ. Υγρασία Υγροσκοπ. Υγρασία Τέφρα Ανόργανα Πτητικά Πτητικα Οργανικά FIX wf waf Καθορισόςσύστασηςκαυσίου: Άεση (Poxiate aalysis): Υγρασία, Πτητικά, όνιος άνθρακας, Τέφρα Στοιχειακή (Ultiate aalysis):,,,, S wf lft a.. Τέφρα S Saple Weiht [%] Καταστάσεις καυσίου Ως έχει (as eceived) (a..) Lfttocke (lft) Επί ξηρού (wate fee) (wf) Ξηρό χωρίς τέφρα (Wate Ash fee) (waf) Ξηρό χωρίς ανόργανα (Wate ieals Fee) (wf) oiste Volatiles Fixed Ash itoe tie, tep. 9 Ai 7 8

3 Σύσταση σε φυσική κατάσταση Σύσταση επί ξηρό Σύσταση επί ξηρό χωρίς τέφρα Παράδειγα Αναγωγή σε κατάσταση (ως έχει): γ γ Ο γ γ Ο γ γ Ο γ γ S γ γ S γ γ S γ γ γ γ a γ a γ a γ w γ w γ w X = X ( W A ) a. ) waf ) a..) a..) X = X ( W ) a. ) wf ) a..) Ως έχει (as eceived) wf (wate fee) wαf (wate-ash fee) 9 Ορισός καύσης Καύση είναι κάθε εξώθερη αντίδραση ενός υλικού καυσίου ε το οξυγόνο Που όως συντελείται ε αρκετά υψηλό ρυθό απόδοσης θερότητας, έτσι ώστε, η θερότητα που απελευθερώνεται κατά τη διάρκειά της να είναι τεχνικά εκεταλλεύσιη Έρευνα του φαινοένου της καύσης Παρακολούθηση των ουσιών που παίρνουν έρος στην καύση, από ποιοτική και ποσοτική σκοπιά (δηλ. την ελέτη του ετασχηατισού τους κατά την καύση και τη διατύπωση των σχέσεων εταξύ των ποσοτήτων των αρχικών υλών και των προϊόντων καύσης). Τα θέατα αυτά εξετάζει η Στοιχειοετρία. Τον προσδιορισό της ταχύτητας αντίδρασης. Η γνώση του παράγοντα αυτού, έχει βασική σηασία για την εκλογή του εγέθους της ηχανής ή συστήατος για τη λήψη προκαθορισένης ισχύος.

4 Χαρακτηριστικές θεροκρασίες Έναυση Για την επίτευξη της καύσης, είναι απαραίτητη, εκτός από το οξυγόνο και ια πηγή έναυσης. Σηείο ανάφλεξης Η κατώτερη θεροκρασία στην οποία αν θερανθεί το καύσιο, αναφλέγεται κάτω από ορισένες συνθήκες, αν το πλησιάσει ια πηγή θερότητας, αλλά δεν συνεχίζει να καίεται όταν αποακρυνθεί η πηγή. Σηείο καύσης Η κατώτατη θεροκρασία του καυσίου, στην οποία αυτό αναφλέγεται και συνεχίζει να καίγεται και ετά την αποάκρυνση της πηγής έναυσης. Σηείο αυτανάφλεξης Ηθεροκρασία, στην οποία αν θερανθεί το καύσιο, αναφλέγεται κάτω από ορισένες συνθήκες, χωρίς την προσέγγισή του από πηγή θερότητας. Εξαρτάται από: την ικανότητα και την ταχύτητα αντίδρασης του καυσίου ε το οξυγόνο, αλλάκαιτοέγεθοςτουκόκκουτου, την υγρασία του, τη θεροκρασία περιβάλλοντος, τη θερική ακτινοβολία που δέχεται κ.α. Ετερογενής καύση στερεών καυσίων Η ετερογενής καύση στερεών καυσίων είναι πιο πολύπλοκη από την οογενή καύση αερίων καυσίων. Τα στερεά καύσια αποτελούνται από διάφορα στοιχεία εταξύ των οποίων και οργανικά στοιχεία, αλκάλια και άλλα. Κατά την διαδικασία της καύσης δηιουργούνται πτητικά (/,, ενώσεις S και ), αλλά και αιθάλη σαν ενδιάεσο προϊόν καύσης Για την έναυση είναι απαραίτητη, πέρα από την υψηλή θεροκρασία και η δηιουργία ενός εύφλεκτου είγατος. ε τη βοήθεια του οξυγόνου του αέρα καίγονται πρώτα τα πτητικά και στη συνέχεια η αιθάλη (Restkoks) 3 Φυσικοχηική σύσταση των φυσικών καυσίων Κάθε φυσικό καύσιο περιλαβάνει άκαυστα συστατικά (υγρασία και τέφρα). Αν το φυσικό καύσιο ξηρανθεί σε θεροκρασία περιβάλλοντος, τότε αποβάλλει ένα έρος από την επιφανειακή του υγρασία. Αν θερανθεί έτρια (γύρω στους 5 ) αφαιρείται η υπόλοιπη επιφανειακή και η υγροσκοπική υγρασία και το καύσιο χαρακτηρίζεται ως ξηρό. 5 5 Αν το ξηρό καύσιο θερανθεί περαιτέρω έχρι τους 85 και σε περιβάλλον χωρίς οξυγόνο, τότε αποβάλλει και τα πτητικά του Το στερεό υπόλοιπο που παραένει, χαρακτηρίζεται ως οπτάνθρακας (κοκ) και αποτελείται από καύσιη ύλη, που τον ονοάζουε καθαρό άνθρακα και από την τέφρα. Η περιεκτικότητα του καυσίου σε τέφρα προσδιορίζεται από την καύση του στους 85. Η τέφρα που αποένει ζυγίζεται και συγκρίνεται ε την αρχική ποσότητα του καυσίου. 5 Θέρανση χωρίς 5 85 (Επιφανειακή) (Υγροσκοπική) (Επιφανειακή) (Υγροσκοπική) Πτητικά 5 6

5 Καύση στερεών καυσίων Φάσεις κατά την καύση στερεών καυσίων:. Ξήρανση: Προξήρανση εκτός του Ατοπαραγωγού (ε προθερασένο αέρα ή ζεστά καυσαέρια) Ξήρανση εντός του Ατοπαραγωγού ε θερότητα ακτινοβολίας εντός του θαλάου καύσεως. Απελευθέρωση πτητικών: ε θερότητα ακτινοβολίας οι ελαφροί πτητικοί υδρογονάνθρακες ελευθερώνονται στην αέρια φάση. Αυτάτακαύσιααέρια, πρέπει να αναειχθούν ε αέρα καύσης 3. Αεριοποίηση και καύση του υπόλοιπου άνθρακα Ο αέρας είναι εδώ απαραίτητος Σκοπός είναι η πλήρης αεριοποίηση και καύση: εγάλη σχετική ταχύτητα ανάεσα στον αέρα καύσης και τα σωατίδια του καυσίου. Καύση των προϊόντων αεριοποίησης Για τέλεια καύση είναι απαραίτητη η ανάειξη του αερίου και του αέρα 7 Σχηατική παρουσίαση του φαινοένου της καύσης κατά την καύση κονιοποιηένου καυσίου Ξήρανση-Πυρόλυση-Έναυση-Καύση πτητικών- αιθάλης T [ ] 5 5 Ζώνη προθέρ. Ζώνη φλόγας Ζώνη ολοκλ. καύσης Καύση πτητικών συστατικών Εξαερίωση Πυρόλυση 5% ολ. καύσης 6% 9% ολ. καύσης Υπόλοιπος οπτάνθρακας 99% ολ. καύσης Ιπτ. τέφρα,-5 µ Σωατίδια καυσίου και Ακτινοβολία και συναγωγή αέρας Ορυκτά - µ 5 Χρόνος παραονής [s] 8 Στοιχειοετρία Στοιχειοετρική καύση: Είναι η τέλεια καύση, στην οποία χρησιοποιείται τόσο οξυγόνο όσο ακριβώς απαιτείται για την οξείδωση των στοιχείων του καυσίου. S Βασικές εξισώσεις καύσης S Στα προϊόντα της στοιχειοετρικής καύσης δεν υπάρχει οξυγόνο. Στην πραγατικότητα, για την επίτευξη ιας τέλειας καύσης, απαιτείται γενικά ια περίσσεια οξυγόνου (ή αέρα) που είναι τόσο πιο εγάλη, όσο οι συνθήκες ανάειξης του οξυγόνου ε το καύσιο, είναι δυσενέστερες. Η έρευνα της στοιχειοετρικής καύσης, αποτελεί τη βάση για την εξέταση κάθε πραγατικής καύσης. Στοιχειοετρικής καύση χηικής ένωσης κατά FDBR* q S pq p ps 9 *Fachvebad Dapfkessel, Behälte Rohleite

6 Στοιχειοετρικής καύση χηικής ένωσης κατά FDBR* S pq p ps q Ο S k Β p k k k k p ks Όπου: q = p q S Χαρακτηριστικά εγέθη στοιχειοετρικής καύσης στοιχειακών καυσίων και στοιχείων ή ενώσεων που παρατηρούνται στην καύση (ανηγένα σε k άζας) Συβολο S 6 S 3 8 o,665 7,936,998 3,99 3,75,8 3,69 LoT,8 3,9,3,38 7,89 6,9 6,68 5,63 3,665,73,97 -,99 S, ,88 - o 8,85 6,58 3,3 3,38 3,99,3,66,5 GoT,8 6,58 5,3 3,38 5,93 5,5 6,539 5 ()B 8,936,6,798,59,63 Go,8 35,9 5,3 3,38 8,8 9 7, 9 7,68 6,63 *Fachvebad Dapfkessel, Behälte Rohleite Στοιχειοετρικής καύση χηικής ένωσης κατά FDBR* q S pq p ps Στοιχειοετρικής καύση χηικής ένωσης κατά FDBR* q S pq p ps q Ο S k Β p k k k k p ks q Ο S k Β p k k k k p ks Άρα: Απαιτούενο οξυγόνο: Απαιτούενος αέρας: q = p o Ο k k o o LoT = = Xˆ,3 L ΠΡΟΣΟΧΗ: Για καύση ε αέρα: o = ( Xˆ ) L LoT *Fachvebad Dapfkessel, Behälte Rohleite 3 *Fachvebad Dapfkessel, Behälte Rohleite

7 Στοιχειοετρικής καύση χηικής ένωσης κατά FDBR* Καύση ε περίσσεια αέρα S pq p ps q q Ο S k Β p k k k k p ks Ο λόγος της πραγατικά χρησιοποιούενης ποσότητας αέρα, κατά την καύση ορισένης ποσότητας καυσίου, προς εκείνη που θεωρητικά απαιτείται για στοιχειοετρική καύση της, ονοάζεται λόγος αέρα καύσης και συβολίζεται ε Παραγωγή ξηρού καυσαερίου: Παραγωγή ξηρού καυσαερίου: για ξηρό αέρα = GoT S Go = GoT ( ) και Go = LoT G Απαιτούενος αέρας (ξηρός) = LT LoT *Fachvebad Dapfkessel, Behälte Rohleite 5 6 Καύση ε περίσσεια αέρα Καθορισός λόγου αέρα καύσης Απαιτούενος αέρας (υγρός) L = Lo = LT ( X ) Παραγόενο καυσαέριο G = γ L A ( L ) Α) έτρηση οξυγόνου (κ.ο.) Β) έτρηση διοξειδίου του άνθρακα (κ.ο.) Γ) έτρηση διοξειδίου του άνθρακα και διοξειδίου του θείου (κ.ο.) Επειρικές σχέσεις ˆ 7 8

8 Ταυτόχρονη καύση περισσοτέρων καυσίων Ταυτόχρονη καύση περισσοτέρων καυσίων B ΗπεριεχόενηάζατουΚκαυσίουσε ορισένη ποσότητα Β του είγατος Θερογόνος ικανότητα είγατος καυσίου Ηκατάάζα περιεκτικότητα του Κκαυσίου Η συετοχή του Κ καυσίου στην ενέργεια που εκλύεται κατά την καύση του είγατος ήη«περιεκτικότητα σε ενέργεια» λόγω Κ γ = B = B B = B B B = γ ή = 9 3 Ταυτόχρονη καύση περισσοτέρων καυσίων Χαρακτηριστικά εγέθη καύσης k είγατος καυσίου ε περίσσεια αέρα L GT = γ = γ ) = γ ( L GT ( ) G = G γ G = GT ( ) Παράδειγα: Λιγνίτης ε περιεκτικότητα σε φυσική κατάσταση (ως έχει) 5,7% υγρασία καίγεται σε περίσσεια αέρα =,3 και υγρασίας, k/k. Ησύστασητου καυσίου επί ξηρού είναι: γ = 8,%, γ Η = 3,%, γ S =,85%, γ Ο = 6,89%, γ Ν =,% Να υπολογιστούν: α) η απαιτούενη ποσότητα αέρα, β) το παραγόενο καυσαέριο και γ) η % κ.β. σύσταση αυτού. 3 3

9 Η σηασία της υγρασίας στο καύσιο Εξωτερική Υγρασία: Η υγρασία βρίσκεται, είτε στην εξωτερική τους επιφάνεια του καυσίου. Προέρχεται από βροχή ή από την υγρασία του ορυχείου, ή από την κατεργασία του καυσίου και πορεί να προσδιορισθεί ε τη βοήθεια ρεύατος αέρα που περνά έσα απότοσωρότουκαυσίου. Υγροσκοπική Υγρασία: Η υγρασία περνά έσα στη άζα του καυσίου από τους πόρους του και εν ελαττώνεται ακόα και ετά από ακροχρόνια απόθεση του καυσίου στον αέρα. Η σηασία της υγρασίας στο καύσιο Ηυγρασία: δηιουργεί δυσενείς συνθήκες, τόσο στην καύση του, όσο και στην οικονοική διακίνησή του. υποβιβάζει τη θεροκρασία καύσης Αυξάνει το σηείο δρόσου περιορίζει την οικονοική αξιοποίηση του καυσίου 33 3 Θερογόνος ικανότητα του καυσίου Θερογόνος ικανότητα του καυσίου Εκφράζει το ενεργειακό περιεχόενο του καυσίου. o [J/k]: Ανώτερη θερογόνος ικανότητα (ihe eati Vale / V, Goss aloific Vale / GV) Το καύσιο βρίσκεται σε αρχική θεροκρασία 5 o. Τα προϊόντα της καύσης επιστρέφουν στη θεροκρασία των 5 o. Το νερό στα προϊόντα της καύσης βρίσκεται υπό ορφή υγρού. (Προϊόν νερό) Η λανθάνουσα θερότητα ατοποίησης του νερού ανακτάται. Προσδιορίζεται εργαστηριακά σε θεριδόετρα τύπου οβίδας. 35 Εκφράζει το ενεργειακό περιεχόενο του καυσίου. [J/k]: Κατώτερη θερογόνος ικανότητα (Lowe eati Vale / LV, et aloific Vale / V) Το καύσιο βρίσκεται σε αρχική θεροκρασία 5 o. Η ψύξη των προϊόντων της καύσης σταατάει στη θεροκρασία των 5 o. Το νερό στα προϊόντα της καύσης βρίσκεται υπό ορφή ατού. (Προϊόν ατός) Η λανθάνουσα θερότητα ατοποίησης του νερού ΔΕΝ ανακτάται. Χρησιοποιείται για τον υπολογισό του βαθού απόδοσης κατά IS. 36

10 Θερογόνος ικανότητα του καυσίου Αέρια καύσια Στα αέρια ίγατα, η θερογόνος ικανότητα του καυσίου πορεί να υπολογισθεί από την άθροιση των ερικών ιδιοτήτων των αερίων για τον προσδιορισό της θερογόνου ικανότητας (νόος Dalto) = V V V Π.χ. Για = και = εθάνιο Θερογόνος ικανότητα του καυσίου Υγρά και στερεά καύσια Τα καύσια αυτά δεν είναι ίγατα στοιχείων, αλλά, συνήθως, ίγατα χηικών ενώσεων των στοιχείων Οι ενώσεις αυτές, διασπώνται κατά την καύση και η θερότητα που απαιτείται ή που εκλύεται κατά τη διάσπαση, δεν είναι επακριβώς γνωστή. Η θερογόνος ικανότητα προσδιορίζεται πειραατικά Προσεγγιστικά η ανώτερη θερογόνος ικανότητα ξηρού καυσίου δίνεται από την παρακάτω σχέση: o( kj / k) = 383 ct 59 ht 3 st 595 T 8 T Η κατώτερη θερογόνος ικανότητα καυσίου είναι: Ανώτερη Θερογόνος Ικανότητα ξηρού καυσίου Ενθαλπία εξάτισης νερού στους 5 και στα 3ba ol-κ.β. Η Ο xol-κ.β. Η 8 ( kj / k) = o ( w) 9 w ht 9 ( w) Ανώτερη Θερογόνος Ικανότητα υγρού καυσίου Ενθαλπία εξάτισης της υγρασίας Ενθαλπία εξάτισης της υγρασίας ( kj / k) = 383 c h 3 s w 39