Διεργασίες Καύσης & Ατμολέβητες

ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΣΧΟΛΗ ΧΗΜΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Εργαστήριο Θερμοδυναμικής & Φαινομένων Μεταφοράς Διεργασίες Καύσης & Ατμολέβητες

Σκοπός Παρουσίαση των βασικών αρχών λειτουργίας των διεργασιών καύσης που αποτελούν τη βάση για την κατανόηση της λειτουργίας του καυστήρα και της ρύθμισης του για τη βελτιστοποίηση του βαθμού απόδοσης ενός θερμαντήρα καύσης, όπως ο ατμολέβητας. Μελέτη των τρόπων μείωσης των απωλειών θερμότητας και εξοικονόμησης καυσίμου.

Εισαγωγή: Καύση και Καύσιμα H καύση είναι μια χημική αντίδραση κατά την οποία μια ουσία (καύσιμο) αντιδρά με οξυγόνο (οξειδώνεται) αποδεσμεύοντας μεγάλα ποσά ενέργειας. Τα προϊόντα της καύσης ονομάζονται καυσαέρια. Σκοπός της καύσης είναι η μετατροπή της χημικής ενέργειας του καυσίμου σε θερμική, δηλ.: Θερμότητα = Χημ. Ενέργεια καυσίμου-χημ. Ενέργεια καυσαερίου Είδη καυσίμων: στερεά (ξύλο, κωκ, λιθάνθρακες κτλ.), υγρά (μαζούτ, diesel, βενζίνη κτλ.), αέρια (προπάνιο, φυσικό αέριο, βιοαέριο κτλ.) Η ποιότητα του καυσίμου καθορίζεται από τη θερμογόνο δύναμη, την επικινδυνότητα των καυσαερίων, την ασφάλεια κατά τη μεταφορά και αποθήκευσή του και την εγκατάσταση καύσης του.

Εισαγωγή: Θερμαντήρες καύσης Οι θερμαντήρες καύσης είναι οι εγκαταστάσεις όπου η εκλυόμενη θερμότητα από την καύση χρησιμοποιείται για τη θέρμανση υλικών. Είδη θερμαντήρων καύσης Άμεσης θέρμανσης: Άμεση επαφή με τη φλόγα και τα προϊόντα της καύσης (π.χ. περιστρεφόμενοι κλίβανοι, κλίβανοι ανοιχτής φωτιάς). Εφαρμογές: τσιμεντοβιομηχανία, μεταλλουργία, υαλουργία Έμμεσης θέρμανσης: Το θερμαινόμενο υλικό διαχωρίζεται από τη φλόγα και τα καυσαέρια με μεταλλικό ή πυρίμαχο τοίχωμα (π.χ. ατμολέβητες, εξατμιστές, δοχεία τήξης κτλ.). Εφαρμογές: βιομηχανία πετρελαίου

Εισαγωγή: Θερμαντήρες καύσης Τα βασικά μέρη ενός θερμαντήρα καύσης έμμεσης θέρμανσης είναι: Καυστήρας Χώρος κυκλοφορίας καυσαερίων (θάλαμος καύσης, περιοχή συναγωγής, καμινάδα) Αυλοί Μεταφορά θερμότητας καύσης με συναγωγή και ακτινοβολία. Ο ρυθμός μεταφοράς θερμότητας ανά μονάδα επιφάνειας αυλών είναι πολύ υψηλότερος στο θάλαμο καύσης λόγω των μεγάλων Τ & ΔΤ, και της μεταφοράς θερμότητας με ακτινοβολία. καυστήρας 50% της θερμότητας μεταφέρεται με ακτινοβολία 25% της θερμότητας στα καυσαέρια αυλοί θάλαμος καύσης καμινάδα περιοχή συναγωγής 25% της θερμότητας μεταφέρεται με συναγωγή

Εισαγωγή: Θερμαντήρες καύσης Καυστήρας Στον καυστήρα επιτυγχάνεται η ανάμειξη του καύσιμου υλικού με τον αέρα έτσι ώστε να πραγματοποιείται αλλά και να συντηρείται η καύση με ασφαλή τρόπο και με τα επιθυμητά χαρακτηριστικά. Συγκεκριμένα επιδιώκονται: Κατάλληλη προετοιμασία καυσίμου. Προσαγωγή καυσίμου και αέρα στην επιθυμητή πίεση, παροχή και αναλογία. Ανάμειξη καυσίμου/αέρα στη σωστή θέση και θερμοκρασία για να προκληθεί ανάφλεξη και να διατηρηθεί η καύση. Μεταφορά παραγόμενης θερμότητας στους αυλούς, διατηρώντας υψηλή τη θερμοκρασία στη ζώνη καύσης.

Εισαγωγή: Θερμαντήρες καύσης Καυστήρας Η κατηγοριοποίηση των καυστήρων μπορεί να γίνει με διάφορους τρόπους, όπως τον τρόπο λειτουργίας τους (π.χ. κυκλοφορία του αέρα (φυσική ή βεβιασμένη), προανάμειξη ή όχι του καυσίμου με τον αέρα) και το είδος του καυσίμου. Ανεξάρτητα από το είδος του καυστήρα, κανείς μπορεί να διακρίνει τα ακόλουθα τρία βασικά μέρη: Σωλήνας προσαγωγής καυσίμου (ακροφύσιο). Διάταξη με θυρίδες ρύθμισης της παροχής του αέρα. Πυρίμαχη επένδυση, που κατευθύνει τον αέρα και ακτινοβολεί θερμότητα προς την εστία καύσης.

Βασικές Αρχές Καύσης Καύσιμο Κάθε καύσιμο περιέχει τρία βασικά στοιχεία: άνθρακα, υδρογόνο και θείο. Γενικά οι αντιδράσεις καύσης είναι πολύπλοκες και η κινητική τους καθορίζει τον σχεδιασμό του καυστήρα και του θαλάμου καύσης, αλλά δεν επηρεάζει τα ισοζύγια μάζας και ενέργειας. Η θερμογόνος δύναμη του καυσίμου είναι η θερμότητα που εκλύεται ανά μονάδα μάζας (ή όγκου ή kmol) καυσίμου όταν η καύση με οξυγόνο είναι πλήρης και τα προϊόντα επιστρέφουν στις συνθήκες των αντιδρώντων. Η θερμογόνος δύναμη εξαρτάται από: Την πίεση και θερμοκρασία των αντιδρώντων (κατ. αναφοράς 25 o C & 1atm) Τη φάση του νερού στα καυσαέρια (λανθάνουσα θερμότητα εξάτμισης του νερού).

Βασικές Αρχές Καύσης Καύσιμο Η θερμογόνος δύναμη του καυσίμου που περιλαμβάνει τη λανθάνουσα θερμότητα εξάτμισης του νερού ονομάζεται Ανώτερη Θερμογόνος Δύναμη (Gross Calorific Valus, GCV). Δεδομένου ότι το νερό των καυσαερίων βρίσκεται σε μορφή ατμού, η πραγματική ποσότητα θερμότητας που εκλύεται είναι μικρότερη από την GCV. Αυτή δεν περιλαμβάνει τη λανθάνουσα θερμότητα εξάτμισης του νερού και ονομάζεται Κατώτερη Θερμογόνος Δύναμη (Net Calorific Valus, NCV). NCV = GCV m H2O h lg Αν το καύσιμο δεν περιέχει υδρογόνο ή υγρασία (π.χ. ξηρός άνθρακας), η ανώτερη και η κατώτερη θερμογόνος δύναμη συμπίπτουν.

Βασικές Αρχές Καύσης Το απαραίτητο για την καύση οξυγόνο συνήθως παρέχεται με τη μορφή αέρα (άμεση διαθεσιμότητα, μηδενικό κόστος). Σε ειδικές μόνο εφαρμογές χρησιμοποιείται καθαρό οξυγόνο. Μέση κατ όγκο σύσταση ξηρού αέρα Αέρας καύσης Ν 2 : 78.084%, Ο 2 : 20.946%, Αr: 0.934%, λοιπά αέρια: 0.036% Το αργό θεωρείται σαν Ν 2 και τα άλλα αέρια αγνοούνται. Ν 2 : 79%, Ο 2 : 21% (ή mole) ή Ν 2 : 76.7% wt, Ο 2 : 23.3% wt Στις συνήθεις θερμοκρασίες καύσης το Ν 2 επηρεάζει την απόδοση της διεργασίας. Οι υδρατμοί θεωρούνται ως αδρανές αέριο. δεν αντιδρά, αλλά Προσοχή: Η θερμοκρασία των υδρατμών δεν πρέπει να γίνει μικρότερη από την Τ κορεσμού τους (σημείο δρόσου) παρουσία οξειδίων του θείου (διάβρωση).

Βασικές Αρχές Καύσης Καύση Πλήρης στοιχειομετρική (ή τέλεια) καύση: Το καύσιμο αντιδρά πλήρως με τόσο μόνο οξυγόνο όσο θεωρητικά απαιτείται για τη μετατροπή του άνθρακα σε CO 2, του υδρογόνου σε νερό και του θείου σε διοξείδιο του θείου. Ατελής καύση: Στα προϊόντα της καύσης υπάρχει ποσότητα άκαυστου καυσίμου ή συστατικά όπως C, H 2, CO. Αυτό μπορεί να συμβεί τόσο λόγω ανεπαρκής ποσότητας Ο 2, όσο και μη καλής ανάμειξης αέρακαυσίμου. Στην πράξη, η καύση γίνεται με περίσσεια Ο 2 (Ο 2 στα προϊόντα καύσης) θερμότητα CO 2 Ν 2, Η2Ο τέλεια καύση θερμότητα O 2 CO 2 Ν 2, Η2Ο καλή καύση θερμότητα, καπνός CO ατελής καύση καύσιμο (Η, C) αέρας (Ο 2, Ν 2 ) καύσιμο (Η, C) αέρας (Ο 2, Ν 2 ) καύσιμο (Η, C) αέρας (Ο 2, Ν 2 )

Βασικές Αρχές Καύσης Απόδοση λέβητα ως συνάρτηση της παροχής αέρα Καύση ατελής καύση απώλεια καυσίμου μέγιστη απόδοση μεγάλες θερμικές απώλειες από την καμινάδα ενεργειακή απόδοση θολερότητα καπνού πολύ μικρή κανονική πολύ μεγάλη παροχή αέρα

Βασικές Αρχές Καύσης Ρύθμιση καυστήρα Η σωστή ρύθμιση του καυστήρα, δηλ. του αέρα καύσης, γίνεται με ανάλυση καυσαερίων. Γενικά επιδιώκεται: Απουσία CO Όσο το δυνατόν λιγότερο Ο 2 Όσο το δυνατόν περισσότερο CO 2 Κατά τον έλεγχο του καυστήρα, γίνονται μετρήσεις θερμοκρασίας καυσαερίων, αιθάλης και CO 2. % σύσταση Κ.Ο. σε ξηρά βάση 20 10 8 6 4 2 0 Καύση διοξείδιο του άνθρακα οξυγόνο 0 20 40 60 80 100 % περίσσεια αέρα

Βασικές Αρχές Καύσης Καύση: Στοιχειομετρικοί υπολογισμοί Αντιδράσεις πλήρους καύσης Αντίδραση Γραμμομοριακό ισοζύγιο Ισοζύγιο μάζας C + O 2 -> CO 2 1kmol C+ 1kmol O 2 = 1kmol CO 2 1kg C+ 2.667kg O 2 = 3.667kg CO 2 H 2 + 1/2 O 2 -> H 2 O 1kmol H 2 + 0.5kmol O 2 = 1kmol H 2 O 1kg H 2 + 8kg O 2 = 9kg H 2 O S + O 2 -> SO 2 1kmol S+ 1kmol O 2 = 1kmol SO 2 1kg S+ 1kg O 2 = 2kg SO 2 Απαραίτητα δεδομένα: σύσταση καυσίμου & περίσσεια αέρα καύσης Είδη υπολογισμών %Ε= (m a -m 0 )/m a *100 (περίσσεια αέρα %) ή n= m a /m 0 (συντελεστής περίσσειας) Απαιτούμενο Ο 2 και αέρας καύσης (Λόγος αέρα-καυσίμου AF ή Α/Κ) Σύσταση καυσαερίων (σύσταση σε υγρή ή ξηρή βάση)

Βασικές Αρχές Καύσης Ισοζύγιο ενέργειας Καύση: Ενεργειακή ανάλυση A Θερμοδυναμικό Αξίωμα Q - W = H P - H R W=0 T R = T P = T 0 Q 0 = H P0 H R0 = - CV θερμογόνος δύναμη H R Q Τ 0 W = 0 H P Τ 1 Τ 2 Παραδοχές: Αμελητέες οι μεταβολές κινητικής και δυναμικής ενέργειας, μόνιμη κατάσταση, σταθερή πίεση

Βασικές Αρχές Καύσης Στάδια αντίδρασης καύσης Καύση: Ενεργειακή ανάλυση 1. Μεταβολή Τ αντιδρώντων (T 1 T 0 ) 2. Αντίδραση 3. Μεταβολή Τ προϊόντων (T 0 T 2 )

Βασικές Αρχές Καύσης Καύση: Ενεργειακή ανάλυση Επομένως προκύπτει ότι: Q = H P2 H R1 = (H R0 H R1 ) + (H P0 H R0 ) + (H P2 H P0 ) Q = (H P2 H P0 ) - (H R1 H R0 ) - CV Οι διαφορές στις ενθαλπίες μπορούν να υπολογιστούν με τη βοήθεια των ειδικών θερμοτήτων υπό σταθερή πίεση (c p ), δηλαδή: T 2 Q = න T 0 j T 1 n j C pj dt න T 0 i n i C pi dt CV j: προϊόντα, i: αντιδρώντα

Βασικές Αρχές Καύσης Αδιαβατική θερμοκρασία φλόγας Καύση: Ενεργειακή ανάλυση Στην οριακή περίπτωση που Q=0 (αδιαβατική διεργασία), η θερμοκρασία των καυσαερίων αποκτά μέγιστη τιμή, η οποία ονομάζεται αδιαβατική θερμοκρασία φλόγας της αντίδρασης καύσης και υπολογίζεται με επαναληπτική διαδικασία από την ακόλουθη σχέση: T ad න T 0 j T 1 n j C pj dt = න T 0 i n i C pi dt + CV Η Τ ad δεν είναι μοναδική, καθώς εξαρτάται από τις συνθήκες των αντιδρώντων, το βαθμό πραγματοποίησης της αντίδρασης και την ποσότητα του αέρα. Αποκτά μέγιστη τιμή στην πλήρη καύση, ενώ αν τα αντιδρώντα εισέρχονται σε πρότυπες συνθήκες ισχύει: H Τ ad αποκτά συγκεκριμένη τιμή, χαρακτηριστική για κάθε καύσιμο. T ad න T 0 j n j C pj dt = CV

Εξοικονόμηση ενέργειας Πλήρης καύση, ώστε το καύσιμο να αποδώσει όλη τη θερμογόνο δύναμή του. Μείωση απωλειών από την καμινάδα (μείωση Τ ή μάζας καυσαερίων). Σωστή ρύθμιση καυστήρα. Καύση

Εξοικονόμηση ενέργειας Το καύσιμο και ο αέρας πρέπει να στροβιλίζονται και να ανακατεύονται μαζί ώστε να προκύψει ένα ομοιογενές μίγμα με αποτέλεσμα γύρω από κάθε μόριο καυσίμου να υπάρχουν μόρια οξυγόνου έτοιμα να ενωθούν μαζί του. Τα στερεά καύσιμα πρέπει να υφίστανται σύνθλιψη και κονιορτοποίηση ώστε να διοχετεύονται με τη μορφή κόκκων (d: 4-70mm). Τα υγρά καύσιμα πρέπει να ψεκάζονται σε μορφή λεπτότατων σταγονιδίων για την καλύτερη διάχυσή τους στη μάζα του αέρα καύσης. Προθέρμανση υγρών καυσίμων με δυνατότητα εκμετάλλευσης της ενέργειας των καυσαερίων. Με αυτό τον τρόπο μειώνεται και το ιξώδες των καυσίμων. Επάρκεια αέρα για πλήρη καύση. Καυστήρας

Ατμολέβητες Ο ατμολέβητας είναι ένας θερμαντήρας καύσης στον οποίο το προς θέρμανση ρευστό είναι νερό υψηλής πίεσης το οποίο ατμοποιείται. Διακρίνονται δύο βασικές κατηγορίες: Αρχή λειτουργίας Ατμολέβητες πυροσωλήνων, όπου τα καυσαέρια κυκλοφορούν μέσα σε σωλήνες που περιβάλλονται από το νερό. Ατμολέβητες υδροσωλήνων, όπου το νερό κυκλοφορεί μέσα στους σωλήνες. Ανάλογα με τον τρόπο κυκλοφορίας του νερού, οι ατμολέβητες διακρίνονται σε φυσικής κυκλοφορίας, βεβιασμένης κυκλοφορίας και μιας διόδου.

Ατμολέβητες Αρχή λειτουργίας Ατμολέβητας φυσικής κυκλοφορίας (κυκλοφορία λόγω διαφοράς πυκνότητας υγρού/ατμού) Τύμπανο (δοχείο διαχωρισμού) Σε κάθε δίοδο δεν εξατμίζεται πάνω από 35% του υγρού για να διατηρείται υψηλός ο συντελεστής μεταφοράς θερμότητας.

Ατμολέβητες Αρχή λειτουργίας Σε υψηλές πιέσεις, η κυκλοφορία στους ατμολέβητες γίνεται με χρήση κυκλοφορητών (βεβιασμένη). Κατά την ατμοποίηση του νερού, τα διαλυμένα στερεά παραμένουν στην υγρή φάση. Όταν η συγκέντρωσή τους υπερβεί τη διαλυτότητά τους, τα στερεά κατακάθονται προκαλώντας προβλήματα στη λειτουργία του λέβητα (τοπικές υπερθερμάνσεις) και μειώνοντας την αποδοτικότητα των επιφανειών εναλλαγής. Ένας τρόπος ελέγχου της συγκέντρωσης των διαλυμένων στερεών είναι η απομάστευση μέρους του νερού, το οποίο συμπληρώνεται με νερό αναπλήρωσης. Η απομάστευση (στρατσώνα) σε ένα λέβητα φυσικής κυκλοφορίας γίνεται από το τύμπανο.

Απώλειες Επικαθήσεων Απώλειες Απομάστευσης Απώλειες Τοιχωμάτων Ατμολέβητες Ενεργειακή συμπεριφορά Οι ατμολέβητες εμφανίζουν αυξημένη κατανάλωση καυσίμων, αποτελώντας την πιο απαιτητική σε καύσιμα διεργασία σε ένα εργοστάσιο. Στατιστικές αναφέρουν ότι στους ατμολέβητες καταναλώνεται το 50% περίπου του συνόλου των καυσίμων που καταναλώνει ο βιομηχανικός τομέας. Συνεπώς είναι ιδιαίτερης σημασίας η ενεργειακή συμπεριφορά τους για τη λήψη μέτρων εξοικονόμησης ενέργειας. Ενεργειακό Ισοζύγιο Άκαυστα Συστατικά Καυσαέρια Καύσιμο Ατμός

Ατμολέβητες Ενεργειακή συμπεριφορά Οι απώλειες καυσαερίων, λόγω περίσσειας αέρα ή υψηλής θερμοκρασίας, μπορεί να φτάσουν το 25% στους συμβατικούς λέβητες. Η μείωσή τους στο 10-15% επιτυγχάνεται με προσθήκη επιφανειών εναλλαγής, δηλ. με προσθήκη αυλών στο χώρο συναγωγής ή πριν την καμινάδα για την προθέρμανση του νερού (οικονομητής) ή του αέρα καύσης (προθερμαντήρας αέρα).

Ατμολέβητες Θερμικός βαθμός απόδοσης n b = θερμική ενέργεια που παραλαμβάνει ο ατμός ενέργεια καυσίμου Μέθοδοι υπολογισμού Άμεση μέθοδος, όπου το ενεργειακό όφελος από τον ατμό συγκρίνεται με το ενεργειακό περιεχόμενο του καυσίμου. Έμμεση μέθοδος, όπου η απόδοση υπολογίζεται ως η διαφορά του ενεργειακού περιεχομένου του καυσίμου και των απωλειών κατά τη διεργασία.

Ατμολέβητες: θερμικός βαθμός απόδοσης Άμεση μέθοδος Δεδομένα Ρυθμός παραγωγής ατμού (m s ) n b = m s(h 2 h 1 ) m f GCV Ρυθμός κατανάλωσης καυσίμου (m f ) Ανώτερη θερμογόνος δύναμη καυσίμου (GCV) Θερμοκρασία εισόδου νερού και εξόδου ατμού για τον υπολογισμό των h. Πλεονέκτημα: εύκολη, λίγες παράμετροι Μειονέκτημα: δεν προσδιορίζονται οι απώλειες από τις διάφορες πηγές

Ατμολέβητες: θερμικός βαθμός απόδοσης Έμμεση μέθοδος Ο n b προκύπτει με τη βοήθεια του ισοζυγίου ενέργειας. Πλεονέκτημα: Σαφείς ενδείξεις για τις δυνατότητες εξοικονόμησης ενέργειας. Μειονέκτημα: χρονοβόρα, περισσότερες μετρήσεις

Ατμολέβητες Ισοζύγιο ενέργειας Έμμεση μέθοδος m f h f + m f GCV + m a h a + m s (1 + x)h 1 = m s h 2 + m s xh f2 + m e h e + Q c n b = m fgcv + m f h f + m a h a m e h e m s x h f2 h 1 m f GCV Q c n b =1-FGL-BDL-CL Βαθμός απωλειών καυσαερίων FGL = m eh e m f h f m a h a m f GCV BDL = m sx h f2 h 1 m f GCV Βαθμός απωλειών απομάστευσης Βαθμός απωλειών τοιχωμάτων CL = Q c m f GCV

Ατμολέβητες Απώλειες καυσαερίων Εξοικονόμηση ενέργειας o Μείωση της θερμοκρασίας των καυσαερίων μέσω συντήρησης των επιφανειών εναλλαγής του λέβητα ή με χρήση των καυσαερίων για την προθέρμανση του νερού (οικονομητής) ή του αέρα καύσης. o Βελτιστοποίηση της διεργασίας καύσης, κυρίως με ρύθμιση του λόγου αέρα-καυσίμου και την ελαχιστοποίηση της ατελούς καύσης. Οι υπολογισμοί που αφορούν στη μεταβολή του βαθμού απόδοσης μπορούν να γίνουν με αναλυτικές ή εμπειρικές εξισώσεις ή με διαγράμματα.

Ατμολέβητες Απώλειες καυσαερίων Εξοικονόμηση ενέργειας

Ατμολέβητες Εξοικονόμηση ενέργειας Απώλειες απομάστευσης o o Επεξεργασία του νερού τροφοδοσίας. Εκμετάλλευση της ενέργειας του νερού απομάστευσης Απώλειες τοιχωμάτων o o Κατάλληλη μόνωση. Τοποθέτηση κελύφους από λαμαρίνα γύρω από τον λέβητα. Προσοχή: Οι απώλειες τοιχωμάτων είναι σταθερές για ένα λέβητα επειδή εξαρτώνται από τη θερμοκρασία του λέβητα και όχι από το φορτίο του. Επομένως, όταν ο λέβητας λειτουργεί σε χαμηλό φορτίο, ο βαθμός απωλειών τοιχωμάτων είναι υψηλότερος.