Τεχνολογία Παραγωγής Τσιμέντου και Σκυροδέματος Ενότητα: Στοιχειομετρικός προσδιορισμός του απαιτούμενου αέρα καύσης βαρέος κλάσματος πετρελαίου Κωνσταντίνος Γ. Τσακαλάκης, Καθηγητής, Ε.Μ.Π Σχολή Μηχανικών Μεταλλείων - Μεταλλουργών
Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς.
1. Στοιχειομετρικός προσδιορισμός του απαιτούμενου αέρα καύσης βαρέος κλάσματος πετρελαίου... 1 1.1 Προσδιορισμός της θεωρητικής μέγιστης περιεκτικότητας των απαερίων σε CO 2... 2 1.2 Προσδιορισμός της σύστασης των απαερίων στην περίπτωση περίσσειας αέρα... 3 1.3 Προσδιορισμός της % πραγματικής περιεκτικότητας των απαερίων σε CO 2 (για περίσσεια αέρα 15.47%)... 4 1.4 Σύγκριση της παραπάνω θεωρητικής τιμής με την υπολογιζόμενη από την εξίσωση... 5
1. 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 4. 1. Στοιχειακή σύσταση βαρέος κλάσματος πετρελαίου, Πηγή πίνακα: Bureau of Energy Efficiency, 2.1 Fuels and combustion, http://www.beeindia.in/energy_managers_auditors/documents/guide_books/2ch1.pdf Συστατικό % περιεκτικότητα κατά βάρος Άνθρακας, C 85.9 Υδρογόνο, H 12 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. 10880 kcal/kg Με δεδομένη την παραπάνω ανάλυση και υποθέτοντας ότι έχουμε ένα βαρύ κλάσμα πετρελαίου μάζας 100 kg, υπολογίζονται οι ποσότητες O 2 που είναι απαραίτητες για την πλήρη καύση του άνθρακα, του υδρογόνου και του θείου, σύμφωνα με τις αντιδράσεις: 1. C + O 2 CO 2 (12 kg C απαιτούν 32 kg O 2 για παραγωγή 44 kg CO 2 ) 2. H 2 + 1/2 O 2 H 2 O (2 kg H 2 απαιτούν 32/2 = 16 kg O 2 για παραγωγή 18 kg H 2 O) 3. S + O 2 SO 2 (32 kg S απαιτούν 32 kg O 2 για παραγωγή 64 kg SO 2 ), όπου: C = 12, O =16, H = 1, S = 32 και N = 14 τα ατομικά βάρη των στοιχείων και επίσης CO 2 = 44, H 2 O = 18, SO 2 = 64 τα μοριακά βάρη των ενώσεων. 1
Παίρνοντας υπόψη την επί τοις % στοιχειακή ανάλυση του πετρελαίου (Πίνακας 1) προκύπτουν: (85.9) C + (85.9 x 32/12) O 2 314.97 CO 2, όπου 32/12 η αναλογία O / C στο CO 2 (12) H 2 + (12 x 16/2) O 2 (12 x 9 ) H 2 O, όπου 16/2 η αναλογία O / H στο H 2 O και (0.5) S + (0.5 x 32/32) O 2 1.0 SO 2, όπου 32/32 η αναλογία O / S στο SO 2 Από τα παραπάνω υπολογίζεται η συνολική ποσότητα του απαιτούμενου O 2 για τις αντιδράσεις πλήρους καύσης 100 kg του πετρελαίου, που είναι: 85.9 x 32/12 + 12 x 16/2 + 0.5 = 325.57 kg O 2 Επειδή όμως στα 100 kg καυσίμου περιέχεται ποσότητα 0.7 kg O 2, προκύπτει ότι η συμπληρωματική ποσότητα O 2 που απαιτείται είναι: 325.57-0.7 = 324.87 kg O 2 / 100 kg καυσίμου. Δεδομένης της κατά βάρος σύστασης του αέρα (23.2% O 2, και 75.47% N 2 ), η απαιτούμενη ποσότητα αέρα για τη στοιχειομετρική καύση του πετρελαίου ανέρχεται σε: 324.87 kg O 2 / 0.232 = 1400.30 kg αέρα / 100 kg πετρελαίου ή 14.003 kg αέρα / kg πετρελαίου 1.1 Προσδιορισμός της θεωρητικής μέγιστης περιεκτικότητας των απαερίων σε CO 2 Τα αέρια που εμφανίζονται, κατά την πλήρη στοιχειομετρική καύση όλων των καυσίμων, στα απαέρια είναι CO 2, N 2 και SO 2, επειδή το νερό στη θερμοκρασία των απαερίων έχει ήδη εξατμιστεί. Επίσης, από τα παραπάνω αποτελέσματα προκύπτει ότι το άζωτο (N 2 ) του τροφοδοτούμενου αέρα για την καύση 100 kg πετρελαίου, ανέρχεται σε: N 2 = 1400.30 kg αέρα 324.87 kg O 2 = 1075.43 kg Οπότε: Moles CO 2 στα απαέρια = (314.97 kg) / 44 10-3 kg/mole = 7.158 10 3 moles 2
Moles N 2 στα απαέρια = (1075.43 kg) / 28 10-3 kg/mole = 38.41 10 3 moles Moles SO 2 στα απαέρια = 1 kg/ 64 10-3 kg/mole = 15.625 moles Οπότε, η % κατ όγκο θεωρητική περιεκτικότητα CO 2 (CO 2 max) στα απαέρια = (moles CO 2 x 100) / συνολικά moles αερίων (ξηρό) = (7158 x 100) / (7158 + 38410 + 15.625) = 15.70% CO 2 Είναι προφανές ότι η τιμή αυτή αντιστοιχεί στη μέγιστη δυνατή περιεκτικότητα (% κ.ο) των απαερίων σε CO 2,max για τη στοιχειομετρική πλήρη καύση βαρέος κλάσματος πετρελαίου. 1.2 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 2. Εάν μετρηθεί στα απαέρια συγκέντρωση π.χ. 2.8% σε O 2 (σίγουρα πλήρης καύση του καυσίμου), τότε είναι εύκολος ο υπολογισμός της % περίσσειας αέρα (κ.ο.) από τη γνωστή σχέση: % O2 μετρούμενη) % Περίσσεια αέρα 100 20. 9-% O2 μετρούμενη) Από τα παραπάνω δεδομένα προκύπτει: 2.8 % Περίσσεια αέρα 100 15.47% 20.9 2.8 Η θεωρητική ποσότητα αέρα για την καύση 100 kg πετρελαίου = 1400.30 kg Συνολική ποσότητα αέρα με 15.47% περίσσεια αέρα: 1400.30 x 1.1547 = 1616.93 kg 3
Μάζα περίσσειας αέρα = (1616.93 1400.30) kg = 216.63 kg Μάζα οξυγόνου O 2 (23.2%) στην περίσσεια αέρα = 216.63 x 0.232 = 50.26 kg Μάζα αζώτου N 2 + κ.α. αερίων (76.8%) στην περίσσεια αέρα = (216.63 50.26) kg = 166.37 kg Οπότε, η τελική σύσταση των απαερίων από την καύση 100 kg βαρέος κλάσματος πετρελαίου με 15.47% περίσσεια αέρα είναι: 1. CO 2 = 314.97 kg 2. H 2 O = 108 kg (το οποίο εξατμίζεται στις υψηλές θερμοκρασίες απαερίων) 3. SO 2 = 1 kg 4. O 2 = 50.26 kg 5. N 2 = 1241.8 kg ( = 1075.43 στη θεωρητική ποσότητα αέρα + 166.37 στην περίσσεια αέρα) 1.3 Προσδιορισμός της % πραγματικής περιεκτικότητας των απαερίων σε CO 2 (για περίσσεια αέρα 15.47%) Η κατ όγκο περιεκτικότητα των απαερίων, που προσδιορίστηκε παραπάνω, ανάγεται σε moles: Moles CO 2 στα απαέρια = 314.97 / 44 10-3 kg/mole = 7.158 10 3 moles Moles SO 2 στα απαέρια = 1/ 64 10-3 kg/mole = 15.625 moles Moles ελεύθερου O 2 στα απαέρια = 50.26 / 32 10-3 kg/mole = 1.57063 10 3 moles Moles N 2 στα απαέρια = 1241.8 / 28 10-3 kg/mole = 44.35 10 3 moles Συνολική ποσότητα απαερίων = 53094.255 moles Πραγματική % περιεκτικότητα απαερίων σε CO 2 % (κατ όγκο) = (7158 x 100) / 53094.255 = 13.48% CO 2 4
1.4 Σύγκριση της παραπάνω θεωρητικής τιμής με την υπολογιζόμενη από την εξίσωση Επειδή είχε υπολογιστεί η θεωρητική μέγιστη περιεκτικότητα των απαερίων σε CO 2,max (15.70%) και μετρήθηκε % περιεκτικότητα των απαερίων 2.8% σε O 2, από τη γνωστή σχέση έμμεσου υπολογισμού της περιεκτικότητας απαερίων σε CO 2, προσδιορίζεται: % CO 2 ( κατ όγκο) CO 2,max 20.9 % O 2 ( μέτρηση στα απαέρια) 20.9 20.9 2.8 % CO2 ( κατ όγκο) 15.7 13.60% CO 20.9 2 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 2,max (15.7%). Όμως, όσο μικρότερη, από την CO 2,max, είναι η % περιεκτικότητα σε CO 2 των απαερίων, πράγμα που σημαίνει μεγάλη αραίωση της συγκέντρωσής του στα απαέρια (λόγω μεγάλης % περίσσειας αέρα), τόσο μεγαλύτερες είναι και οι θερμικές απώλειες στα απαέρια. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα να υπάρχουν δυσμενείς οικονομικές επιπτώσεις στη διεργασία καύσης και παραγωγής θερμότητας. 5
Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα Ε.Μ.Π.» έχει χρηματοδοτήσει μόνο την αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους.