Α. Στοιχειοµετρικός προσδιορισµός του απαιτούµενου αέρα καύσης βαρέος κλάσµατος πετρελαίου. Συστατικό

Transcript

1 Α. Στοιχειοµετρικός προσδιορισµός του απαιτούµενου αέρα καύσης βαρέος κλάσµατος πετρελαίου Για τον παραπάνω προσδιορισµό, απαραίτητο δεδοµένο είναι η στοιχειακή ανάλυση του πετρελαίου (βαρύ κλάσµα), η οποία δίνεται στον Πίνακα 1. Πίνακας 1. Στοιχειακή σύσταση βαρέος κλάσµατος πετρελαίου Συστατικό % περιεκτικότητα κατά βάρος Άνθρακας, C 85.9 Υδρογόνο, H 1 Οξυγόνο, O 0.7 Άζωτο, N 0.5 Θείο, S 0.5 Υγρασία 0.35 Τέφρα (ash) 0.05 Θερµογόνος δύναµη, G.C.V. ή H.H.V kcal/kg Με δεδοµένη την παραπάνω ανάλυση και υποθέτοντας ότι έχουµε ένα βαρύ κλάσµα πετρελαίου µάζας 100 kg, υπολογίζονται οι ποσότητες O που είναι απαραίτητες για την πλήρη καύση του άνθρακα, του υδρογόνου και του θείου, σύµφωνα µε τις αντιδράσεις: 1. C + O CO (1 kg C απαιτούν 3 kg O για παραγωγή 44 kg CO ). H + 1/ O H O ( kg H απαιτούν 3/ = 16 kg O για παραγωγή 18 kg H O) 3. S + O SO (3 kg S απαιτούν 3 kg O για παραγωγή 64 kg SO ), όπου: C = 1, O =16, H = 1, S = 3 και N = 14 τα ατοµικά βάρη των στοιχείων και επίσης CO = 44, H O = 18, SO = 64 τα µοριακά βάρη των ενώσεων. Παίρνοντας υπόψη την επί τοις % στοιχειακή ανάλυση του πετρελαίου (Πίνακας 1) προκύπτουν:

2 (85.9) C + (85.9 x 3/1) O CO, όπου 3/1 η αναλογία O / C στο CO (1) H + (1 x 16/) O (1 x 9 ) H O, όπου 16/ η αναλογία O / H στο H O και (0.5) S + (0.5 x 3/3) O 1.0 SO, όπου 3/3 η αναλογία O / S στο SO Από τα παραπάνω υπολογίζεται η συνολική ποσότητα του απαιτούµενου O για τις αντιδράσεις πλήρους καύσης 100 kg του πετρελαίου, που είναι: 85.9 x 3/1 + 1 x 16/ = kg O Επειδή όµως στα 100 kg καυσίµου περιέχεται ποσότητα 0.7 kg O, προκύπτει ότι η συµπληρωµατική ποσότητα O που απαιτείται είναι: = kg O / 100 kg καυσίµου. εδοµένης της κατά βάρος σύστασης του αέρα (3.% O, και 75.47% N ), η απαιτούµενη ποσότητα αέρα για τη στοιχειοµετρική καύση του πετρελαίου ανέρχεται σε: kg O / 0.3 = kg αέρα / 100 kg πετρελαίου ή kg αέρα / kg πετρελαίου Προσδιορισµός της θεωρητικής µέγιστης περιεκτικότητας των απαερίων σε CO Τα αέρια που εµφανίζονται, κατά την πλήρη στοιχειοµετρική καύση όλων των καυσίµων, στα απαέρια είναι CO, N και SO, επειδή το νερό στη θερµοκρασία των απαερίων έχει ήδη εξατµιστεί. Επίσης, από τα παραπάνω αποτελέσµατα προκύπτει ότι το άζωτο (N ) του τροφοδοτούµενου αέρα για την καύση 100 kg πετρελαίου, ανέρχεται σε: N = kg αέρα kg O = = kg Οπότε: Moles CO στα απαέρια = ( kg) / kg/mole = moles Moles N στα απαέρια = ( kg) / kg/mole = moles Moles SO στα απαέρια = 1 kg/ kg/mole = moles Οπότε, η % κατ όγκο θεωρητική περιεκτικότητα CO (CO max) στα απαέρια =

3 (moles CO x 100) / συνολικά moles αερίων (ξηρό) = (7158 x 100) / ( ) = 15.70% CO Είναι προφανές ότι η τιµή αυτή αντιστοιχεί στη µέγιστη δυνατή περιεκτικότητα (% κ.ο) των απαερίων σε CO,max για τη στοιχειοµετρική πλήρη καύση βαρέος κλάσµατος πετρελαίου. Προσδιορισµός της σύστασης των απαερίων στην περίπτωση περίσσειας αέρα Είναι γνωστό ότι δεδοµένη ποσότητα περίσσειας αέρα είναι απαραίτητη για την πλήρη καύση όλων των καυσίµων και το ποσοστό της περίσσειας εξαρτάται από τον τύπο του καυσίµου. Για τον προσδιορισµό της % περίσσειας του τροφοδοτούµενου αέρα καύσης είναι απαραίτητος ο προηγούµενος προσδιορισµός (µέτρηση) της % περιεκτικότητας των απαερίων σε O. Εάν µετρηθεί στα απαέρια συγκέντρωση π.χ..8% σε O (σίγουρα πλήρης καύση του καυσίµου), τότε είναι εύκολος ο υπολογισµός της % περίσσειας αέρα (κ.ο.) από τη γνωστή σχέση: Από τα παραπάνω δεδοµένα προκύπτει: % O ( µετρούµενη) % Περίσσεια αέρα = x % O ( µετρούµενη).8 % Περίσσεια αέρα = x100 = % Η θεωρητική ποσότητα αέρα για την καύση 100 kg πετρελαίου = kg Συνολική ποσότητα αέρα µε 15.47% περίσσεια αέρα: x = kg Μάζα περίσσειας αέρα = ( ) kg = kg Μάζα οξυγόνου O (3.%) στην περίσσεια αέρα = x 0.3 = 50.6 kg Μάζα αζώτου N + κ.α. αερίων (76.8%) στην περίσσεια αέρα = ( ) kg = kg Οπότε, η τελική σύσταση των απαερίων από την καύση 100 kg βαρέος κλάσµατος πετρελαίου µε 15.47% περίσσεια αέρα είναι: 1. CO = kg. H O = 108 kg (το οποίο εξατµίζεται στις υψηλές θερµοκρασίες απαερίων)

4 3. SO = 1 kg 4. O = 50.6 kg 5. N = kg (= στη θεωρητική ποσότητα αέρα στην περίσσεια αέρα) Προσδιορισµός της % πραγµατικής περιεκτικότητας των απαερίων σε CO (για περίσσεια αέρα 15.47%) Η κατ όγκο περιεκτικότητα των απαερίων, που προσδιορίστηκε παραπάνω, ανάγεται σε moles: Moles CO στα απαέρια = / kg/mole = moles Moles SO στα απαέρια = 1/ kg/mole = moles Moles ελεύθερου O στα απαέρια = 50.6 / kg/mole = moles Moles N στα απαέρια = / kg/mole = moles Συνολική ποσότητα απαερίων = moles Πραγµατική % περιεκτικότητα απαερίων σε CO % (κατ όγκο) = (7158 x 100) / = 13.48% CO Σύγκριση της παραπάνω θεωρητικής τιµής µε την υπολογιζόµενη από την εξίσωση Επειδή είχε υπολογιστεί η θεωρητική µέγιστη περιεκτικότητα των απαερίων σε CO,max (15.70%) και µετρήθηκε % περιεκτικότητα των απαερίων.8% σε O, από τη γνωστή σχέση έµµεσου υπολογισµού της περιεκτικότητας απαερίων σε CO, προσδιορίζεται: % CO ( κατ όγκο) = CO,max 0.9 % O ( µέτρηση στα απαέρια) % CO ( κατ όγκο) = 15.7 = 13.60% CO 0.9 Η τιµή αυτή διαφέρει περίπου 0.9% από την παραπάνω υπολογισµένη. Οι παραπάνω τιµές (13.48 και 13.60%) συγκρίνονται µε τη θεωρητική µέγιστη περιεκτικότητα των απαερίων σε CO,max (15.7%). Όµως, όσο µικρότερη, από την CO,max, είναι η %

5 περιεκτικότητα σε CO των απαερίων, πράγµα που σηµαίνει µεγάλη αραίωση της συγκέντρωσής του (λόγω µεγάλης % περίσσειας αέρα) στα απαέρια, τόσο µεγαλύτερες είναι και οι απώλειες θερµότητας στα απαέρια, Αυτό έχει ως αποτέλεσµα να υπάρχουν δυσµενείς οικονοµικές επιπτώσεις στη διεργασία καύσης και παραγωγής θερµότητας.