ENERGETIKA. Studij: Kemijsko inženjerstvo (V semestar) prof. dr. sc. Igor Sutlović

Transcript

1 Fakultet keijskog inženjerstva i tehnologije Zavod za terodinaiku, strojarstvo i energetiku ENERGETIKA Studij: Keijsko inženjerstvo (V seestar) prof. dr. sc. Igor Sutlović

2 Goriva se dijele na: kruta, tekuća i plinovita Kruta i tekuća goriva sadrže gorive i negorive sastojke: gorivi sastojci su: ugljik, vodik i supor, a negorivi sastojci su: dušik, pepeo i voda

3 Kruta i tekuća goriva sadrže gorive i negorive sastojke: gorivi sastojci su: ugljik, vodik i supor, a negorivi sastojci su: dušik, pepeo i voda Sastojci goriva u procesu izgaranja prolaze energetsku transforaciju u kojoj nastaju dini plinovi koji tako postaju nositelji toplinske energije koja se ože izravno koristiti kao transforirani oblik, ili pak u generatoria pare svoju toplinu predaju vodi koja isparava u vodenu paru, čie vodena para postaje nositelj toplinske energije. Za procesu izgaranja uz gorive sastojke potreban je i kisik, a sa proces izgaranja izrazito je egzoteran.

4 Kruta i tekuća goriva Sastav krutih i tekućih goriva ože se izraziti na tri načina, ovisno o toe što se uzia u obzir. Uziajući u obzir sve sastojke vrijedi: C + + S + O + N + A + W 100% Za suhu tvar (bez udjela vode) vrijedi: C ' + ' + S' + O' + N' + A' C '' + '' + S'' + O'' + N'' 100% Za suhu tvar (bez udjela vode) i bez pepela vrijedi: C' C 100 W 100% Iz gornjih izraza ože se dobiti veza izeđu pojedinih veličina npr. za C, C i C : C'' Energetika, prof. dr. sc Igor Sutlović C 100 A W

5 Donja i gornja toplinska vrijednost goriva Donja i gornja toplinska vrijednost goriva razlikuju se za vrijednost latentne topline vodene pare. Donja toplinska vrijednost goriva d u sebi ne sadrži latentnu toplinu vodene pare jer se voda nalazi u obliku vodene pare (parno agregatno stanje), dok je u gornjoj toplinskoj vrijednosti g ta vodena para kondenzirala i prešla u kapljevito agregatno stanje (iskorištena je latentna toplina vodene pare) Za kruta i tekuća goriva donja toplinska d [MJ/kg] vrijednost računa se prea izrazu: d 4,8 C + 9,9 + 10,46 S + 6,8 N 10,8 O,5 W Sastojci C,, S, N, O i W izraženi su u kg/kg GORIVA (decialni broj, ne %)!

6 Za tekuća goriva koja su derivati nafte donja toplinska d [MJ/kg] vrijednost se ože izračunati i prea izrazu: d,15 C + 94,1 + 10,46 (S O) Gornja toplinska g [MJ/kg] vrijednost ože se izračunati prea izrazu: ( 9 W) g d +,5 +

7 Plinovita goriva Sastav plinovitih goriva ože se izraziti na sljedeći način: C + CO + + Cn + S+ O + CO + N 4 100% gdje su i n broj C odn. atoa ugljikovodika alkanskog niza (C 6 -etan, C 8 -propan, C butan) i ostalih ugljikovodika C 4 -etilen, C -acetilen itd.) Gornja d [MJ/ ] i donja toplinska g [MJ/ ]vrijednost plinovitih goriva računa se prea sljedeći izrazia: d d Σr Σri di g i gi ili prea epirijsko izrazu: 58 C C C C C 5 1

8 Donje ( d ) i gornje ( g ) toplinske vrijednosti pojedinih sastojaka plinovitih goriva Sastojak-plin Forula d, MJ/ g, MJ/ Vodik 10,81 1,78 Ugljični onoksid CO 1,64 1,64 Metan C 4 5,9 9,87 Acetilen C 56,9 58,9 Etilen C 4 59,55 6,5 Etan C 6 64,5 70,45 Propan C Butan C ,8 14 Benzol C , Suporovodik S 8,14 0,

9 Proces izgaranja-stehioetrijski odnosi Shea procesa izgaranja u ložištu Gorivo Zrak Ložište Toplina Dini plinovi Leteći pepeo Troska Proces izgaranja je proces oksidacije gorivih sastojaka iz goriva (C,, S) u koje se oslobađaju velike količine topline-egzoteran proces. Troska nastaje priliko izgaranja ugljena.

10 Stehioetrijski odnosi za pojedine sudionike priliko izgaranja krutih i tekućih goriva izgledaju ovako-vrijedi za potpuno izgaranje: Za ugljik C vrijedi: 1kolC+ 1kolO 1kolCO 1kg + kg + 44kg 9,5MJ / kol Svedeno na 1kg ugljika treba 8/ kg O i dobiva se 11/kg CO odn.: 1kg +,667kg,667kg Kako 1kol bilo kojeg plina ia voluen od,4 ože se pisati: 1 kgc +,4 O,4 CO ili svedeno na 1kg C: 1 kgc + 1,867 O 1,867 CO

11 Za vodik vrijedi: 1 kol + kolo 1kol O v.para + 1 kg + 16kg 18kg ( ) 41,8MJ / kol Svedeno na 1kg vodika treba 8kg O i dobiva se 9kg O odn.: Za supor S vrijedi: 1kg + 8kg 9kg 1 kg + 5,6 O 11, O 1koS+ 1kolO 1kolSO kg + kg 64kg Svedeno na 1kg supora treba 1kg O + 1kg + 1kg kg 1 kgs + 0,7 O 0,7 SO Energetika, prof. dr. sc Igor Sutlović 96,9MJ / kol i dobiva se kg SO odn.:

12 Stehioetrijski odnosi za pojedine sudionike priliko izgaranja plinovitih goriva izgledaju ovako-vrijedi za potpuno izgaranje: Za vodik vrijedi: Za ugljični onoksid CO vrijedi: Za etan C 4 vrijedi: 1 + O O v.para CO + O CO ( ) 41,8MJ / kol + C 4 + O CO + O ,0MJ / kol

13 O nco O 4 n C n n 4 n Za ugljikovodike C n vrijedi: Gdje je n broj C atoa, a broj atoa. Energetika, prof. dr. sc Igor Sutlović

14 Energetika, doc. dr. sc Igor Sutlović Za izgaranje bilo kojeg goriva odnosno njegovog sastojka potreban je kisik. za kruta i tekuća goriva inialna količina kisika O in [kg/kg GORIVA ]je: O in 8 C S O Obziro da se kisik ne ože u prirodi naći u slobodno obliku, za izgaranje potreban zrak. Količina zraka G zrakin [kg zraka /kg goriva ]je: G zrak in 11,49 C + 4,48 + 4,1 ( S O) Obziro da je zrak plin praktičnije je računati s volueno zraka. Voluen zraka V zrakin [ /kg goriva ]računa se prea izrazu: V zrak in 8,88 C + 6,44 +, ( S O)

15 Energetika, doc. dr. sc Igor Sutlović za plinovita goriva inialna količina zraka V zrakin [ / GORIVA] je: V zrak in 4,76 0,5 ( + CO) + C + n + C + 1,5 S O 4 n 4 Udjeli pojedinih sastojaka su u [ / ]-decialni broj, ne %! Prethodni izrazi vrijede za potpuno izgaranje, što je teško postići, zbog toga gorivo izgara uz suvišak (pretičak) zraka λ. Stvarna količina zraka je: V zrak λ V zrak in Pretičak zraka λ o vrsti goriva i znosi od 1,05 do 1,5 za kruta goriva, i od 1,0 do 1,1 za plinovita i tekuća goriva.

16 Energetika, doc. dr. sc Igor Sutlović Voluen dinih plinova Za kruta i tekuća gorivaračuna se prea sljedeći izrazia: VCO VSO 1,867 C CO / kg GORIVA 0,68 S SO / kg GORIVA N 0,8 N + 0,79 λ V zrak in GORIVA V ( λ 1) in N / kg O 0,1 V zrak GORIVA V DPS SO N O O / kg Zbrajanje ovih veličina dobiva se voluen suhih dinih plinova: VCO + V + V V GORIVA V + / kg

17 To voluenu treba pribrojiti voluen vodene pare: V O O / kg 11,11 + 1,4 W + 1,6 d λ Vzrak in GORIVA gdje je d sadržaj vlage u zraku [kg/kg suhog zraka], d0,00 (zia) do 0,009 (ljeto) kg/kg. Ukupni voluen dinih plinova kada izgara kruto ili tekuće gorivo je: V + DP VDPS V O / kg GORIVA

18 Za plinovita goriva voluen dinih plinova računa se prea sljedeći izrazia: V CO + CO + C + n C CO V VN N 0,1 + 0,79 λ V 4 ( λ 1) in O V zrak zrak in n [ ] CO / PLINA [ ] N / PLINA [ ] N / PLINA Zbrajanje ovih veličina dobiva se voluen suhih dinih plinova: V O V V + V + V [ ] / PLINA DPS C CO Voluen vodene pare je: N O C n + 1,6 d λ V zrak in [ ] / PLINA

19 Ukupni voluen dinih plinova kada izgara plinovito gorivo je: V V + V [ ] / PLINA DP DPS O Voluen pojedinih sastojak kao i ukupni voluen dinih plinova ože iskazati u kg/kg GORIVA kg/ PLINA uz poznate gustoće pojedinih sastojaka za norirane uvjete (jednadžba stanja idealnih plinova): 1 CO 1,96kgCO / kg GORIVA 1 CO 1,96kgCO / PLINA 1 N 1,5kgN / kg GORIVA 1 N 1,5kgN / PLINA 1 SO O,86kgSO 1 1,4kgO 1 O 0,804kg / kg / kg O / kg GORIVA GORIVA GORIVA 1 SO O,86kgSO 1 1,4kgO 1 O 0,804kg / / PLINA PLINA O / PLINA

20 Voluenski udjeli pojedinih sastojaka u ukupno voluenu dinih plinova računa se prea: ρ DP Vi r i VDP Gustoća dinih plinova računa se prea - za norirane uvjete p1015pa, T7,15K): r i ρi 1,977 rco + 0,804 r O +,91 rso + 1,57 rn + 1,49 r O + 1,5 r CO Specifična toplina dinih plinova (pri pkonst.) računa se prea: c pdp g [ kj / kgk] g i - aseni udjel pojedinog sastojka i c c pi specifična toplina pojedinog sastojka pi

21 Entalpija dinih plinova računa se prea: h DP V ρ c t [ kj / ] DP DP pdp kg GORIVA [ ] Napoena: V DP se uvrštava u: / PLINA [ ] / kg GORIVA za plinovita goriva za kruta i tekuća goriva Veličine iz prethodnog izraza ovisne su o teperaturi (Tehnička terodinaika): Veza izeđu asenih i voluenskih udjela sastojaka dinih plinova je: g i i ρi V ρ V i ρi ρ r i Mi M r i

22 U prethodno razatranju u obzir su uzete reakcije koje nastupaju izeđu gorivih eleenata i kisika (zraka) u procesu izgaranja. One su izvedene za stehioetrijske odnose, a volueni pojedinih sastojaka dinih plinova i ukupni voluen dinih plinova dani su ovisnosti o vrijednosti pretička zraka. Međuti sa proces izgaranja vrlo je složen proces s aspekta nastanka pojedinih sastojaka a posebno CO i grupe NO x spojeva. Zbog strogih propisa vezanih uz eisije pojedinih vrsta spojeva potrebno je vrlo precizno kontrolirati proces izgaranja s cilje sniženje eisija određenih spojeva, ali i optialnog iskorištenja energenta.

23 Specifična eisija CO radi lakše usporedbe eisija različitih goriva i postrojenja Uobičajeno je svesti eisiju CO na jedinicu energije oslobođene u procesu izgaranja odn. na donju toplinsku vrijednost goriva: g CO d V CO ρ d CO kg MJ ili na jedinicu snage električne energije : g CO,6 VCO ρco kg el η kwh el d V se uvrštava u CO kg GORIVA η - stupanj iskorištenja postrojenja ili PLINA Energetika, prof. dr. sc Igor Sutlović

24 U iznose eisije ulaze eisije cjelokupnog životnog ciklusa određenog postrojenja uključuju i energiju koja je bila potrebna da bi se koponente ili cijela postrojenja napravila Energetika, prof. dr. sc Igor Sutlović Eisije iz nekih energetskih objekata

25

26 Eisije CO po vrstaa goriva (izvor EIA)

27 U praksi je oguće odrediti sastav dinih plinova pa tako i udio CO u ukupni dini plinovia V CO 1,867 COax VDP VDP V CO CO COax VDP VDP C CO C Na osnovi izjerene vrijednosti CO i CO ax oguće je izračunati udio kisika u ukupni dini plinovia: CO O 1 1 CO ax Iz čega se ože izračunati vrijednost pretička zraka : λ aksialni udio (računski) CO ax ože se odrediti (izračunati) prea udjelu ugljika u gorivu i to za potpuno izgaranje (λ1): za kruta goriva i kapljevita goriva: za plinovita goriva: CO CO ax λ %vol 1 n C 1 O Energetika, prof. dr. sc Igor Sutlović n %vol

28 Karakteristične vrijednosti aksialnih udjela CO ax za neke vrste goriva (ovisno o udjelu ugljika u gorivu)