Βασικό παράδειγµα εφαρµογής

Βασικό παράδειγµα εφαρµογής Λιγνιτικός σταθµός ηλεκτροπαραγωγής, ισχύος 300 MW e, τροφοδοτείται µε καύσιµο θερµογόνου δύναµης 1500 kcal/kg (ως έχει). Η τυπική ανάλυση του καυσίµου έχει ως εξής: 13% άκαυστα, 51% νερό, 0.6% άζωτο, 22% άνθρακας, 10.6% οξυγόνο, 2% υδρογόνο και 0.8% θείο Ο βαθµός απόδοσης του σταθµού είναι 35% και βρίσκεται εγκατεστηµένος σε ανοικτή θαµνώδη περιοχή. Να εκτιµηθούν οι εκποµπές ρυπαντικών ουσιών στην ατµόσφαιρα. Ορισµός µικρογραµµαρίου (το σύµβολο του Mathcad για το γραµµάριο είναι gm) µg := 10 6 gm joule Ορισµός παγκόσµιας σταθεράς των ιδανικών αερίων R := 8.314510 e K Kανονικές συνθήκες T nc := 273K := 1atm Κατ' όγκο σύσταση αέρα 79%N 2 21%O 2 Ατοµικά βάρη aw H := 1 gm aw C := 12 gm aw N := 14 gm aw O := 16 gm aw S := 32 gm Μοριακά βάρη mw O2 := 2aw O mw O2 = 0.032 kg mw SO2 := aw S + 2aw O mw SO2 = 0.064 kg mw CO2 := aw C + 2aw O mw CO2 = 0.044 kg mw NO2 := aw N + 2aw O mw NO2 = 0.046 kg mwh2o := 2aw H + aw O mwh2o = 0.018 kg mw N2 := 2aw N mw N2 = 0.028 kg mw air := 79% mw N2 + 21% mw O2 mw air = 0.029 kg

Λύση εδοµένα Θερµογόνος δύναµη καυσίµου CV := 1500 kcal kg Βαθµός απόδοσης σταθµού η := 35% Ηλεκτροπαραγωγή ισχύς p e := 300 10 6 W Κατα βάρος κλάσµατα των συστατικών του καυσίµου Παραδοχές: Το N 2 του αέρα δεν καίγεται Άκαυστα inc := 13% Νερό h2o := 51% Άζωτο n := 0.6% Άνθρακας c := 22% Οξυγόνο o := 10.6% Υδρογόνο h := 2% Θείο lf := 0.8% Από τα άκαυστα συστατικά, ποσοστό 90% εκπέµπονται prt := 90% inc ως σωµατίδια στα καυσαέρια Η θερµοκρασία εξόδου των καυσαερίων είναι 150 o C Όλα τα αέρια συµπεριφέρονται ως ιδανικά T o := ( 150 + 273)K Καύση µε περίσσεια οξυγόνου 30% λ := 30% Υπολογισµοί εκποµπών ρυπαντών Απλοποιηµένες αντιδράσεις καύσης C + O C O 2 2 H + O H 1 2 2 2 2 S + O S O 2 2 N + O N O 2 2 O p e Κατανάλωση καυσίµου m fuel := η CV m fuel = 136.483 kg ec

Απαίτηση σε οξυγόνο και αέρα Ελάχιστη απαίτηση σε οξυγόνο mw O2 0.5 mw O2 mw O2 mw O2 m min_o2 := c + h + lf + n o aw C 2aw H aw S aw N m fue m min_o2 = 90.404 kg Απαίτηση σε οξυγόνο := ( 1 + λ) m min_o2 = 117.525 kg Για να υπολογιστεί η απαίτηση σε αέρα, είναι απαραίτητος ο υπολογισµός της κατά βάρος σύστασής του. 21 % mw O2 x O2 := mw air x O2 = 23.301% 79 % mw N2 x N2 := mw air x N2 = 76.699% Εισερχόµενος αέρας m air := m air = 504.379 kg x O2 Ποσότητες και σύσταση καυσαερίων Εξερχόµενα καυσαέρια (µε βάση το ισοζύγιο µάζας) m flue := m air + [ 1 ( inc prt) ] mfue m flue = 639.088 kg Μαζικές και µοριακές ροές συστατικών των καυσαερίων cm fuel CO2 := m CO2 := CO2 mw CO2 m CO2 = 110.097 kg aw C lf m fuel SO2 := m SO2 := SO2 mw SO2 m SO2 = 2.184 kg aw S nm fuel NO2 := m NO2 := NO2 mw NO2 m NO2 = 2.691 kg aw N mw H2O m H2O h + h2o 2aw H m m H2O := fue H2O := m H2O = 94.174 kg mw H2O m N2 m N2 := x N2 m air N2 := m 2aw N2 = 386.854 kg N := λm min_o2 O2 := m 2aw O2 = 27.121 kg O m prt := prt m fue m prt = 15.969 kg

Επαλήθευση: η µαζική ροή καυσαερίων που υπολογίστηκε µε συνολικό ισοζύγιο µάζας πρέπει να είναι ίση µε το άθροισµα των µαζικών ροών όλων των συστατικών των καυσαερίων m CO2 + m SO2 + m NO2 + m H2O + m N2 + + m prt = 639.088 kg m flue = 639.088 kg Από τις µοριακές ροές των καυσαερίων µπορούν να υπολογιστούν οι ροές όγκου. Στο σηµείο αυτό µπορεί να γίνει η παραδοχή ότι τα σωµατίδια, λόγω της πολύ υψηλότερης πυκνότητας τους συγκριτικά µε τα αέρια συστατικά των καυσαερίων, έχουν αµελητέα συµβολή στις ροές όγκου, η οποία µπορεί ρεαλιστικά να αγνοηθεί. Συνεπώς, οι ακόλουθες ροές αποτελούνται από το άθροισµα µόνο των αέριων συστατικών. Η συνολική µοριακή ροή των καυσαερίων θα είναι flue := CO2 + NO2 + SO2 + H2O + N2 + O2 flue 2.249 10 4 = m flue Μέσο µοριακό βαρος καυσαερίων mw flue := mw flue = 28.416 gm flue Η µοριακή ροή των ξηρών καυσαερίων θα είναι flue_dry := CO2 + NO2 + SO2 + N2 + O2 flue_dry 1.726 10 4 = Στη θερµοκρασία εξόδου, η συνολική και η ξηρή ροή όγκου των καυσαερίων είναι flue R T o V := V = 780.653 m3 flue_dry R T o V _dry := V _dry = 599.052 m3 Σε κανονική θερµοκρασία, η συνολική και η ξηρή ροή όγκου των καυσαερίων είναι flue R T nc V _nc := V _nc = 503.825 m3 flue_dry R T nc V _dry_nc := V _dry_nc = 386.622 m3 Τώρα µπορούν να υπολογιστούν οι συγκεντρώσεις κάθε συστατικού των καυσαερίων στην έξοδο του λέβητα της µονάδας. m CO2 Συγκεντρώσεις στη θερµοκρασία εξόδου C CO2 := C V CO2 = 141.031 gm m NO2 C NO2 := C V NO2 = 3.447 gm m SO2 C SO2 := C V SO2 = 2.797 gm

m prt C prt := C prt = 20.455 gm V m N2 C N2 := C V N2 = 495.552 gm C O2 := C V O2 = 34.742 gm m H2O C H2O := C H2O = 120.634 gm V m CO2 Συγκεντρώσεις σε κανονική θερµοκρασία ncc CO2 := ncc V CO2 = 218.521 gm _nc m NO2 ncc NO2 := ncc V NO2 = 5.34 gm _nc m SO2 ncc SO2 := ncc V SO2 = 4.334 gm _nc m prt ncc prt := ncc prt = 31.695 gm V _nc m N2 ncc N2 := ncc V N2 = 767.833 gm _nc ncc O2 := ncc V O2 = 53.831 gm _nc m H2O ncc H2O := ncc H2O = 186.917 gm V _nc Συγκεντρώσεις σε ξηρά καυσαέρια m CO2 κανονικής θερµοκρασίας dry_ncc CO2 := dry_ncc V CO2 = 284.765 gm _dry_nc m NO2 dry_ncc NO2 := dry_ncc V NO2 = 6.959 gm _dry_nc m SO2 dry_ncc SO2 := dry_ncc V SO2 = 5.648 gm _dry_nc m prt dry_ncc prt := dry_ncc prt = 41.303 gm V _dry_nc

m N2 dry_ncc N2 := dry_ncc V N2 1.001 10 3 gm = _dry_nc dry_ncc O2 := dry_ncc V O2 = 70.149 gm _dry_nc Στη νοµοθεσία, οι οριακές τιµές εκποµπών ρυπαντικών ουσιών στην ατµόσφαιρα ορίζονται ως µάζα ρυπαντή ανά ξηρών καυσαερίων ανηγµένων σε περίσσεια οξυγόνου 3% (για περίπτωση θερµοηλεκτρικού σταθµού) ή 15% (για περίπτωση αεροστροβιλικών µονάδων). Ο συλλογισµός για την αναγωγή αυτή είναι ο εξής: Έστω C Ox η συγκέντρωση του ρυπαντή σε µάζα ανά ξηρών καυσαερίων σε κανονικές συνθήκες και O x η κατ' όγκο συγκέντρωση Ο 2 στα καυσαέρια αυτά. Αν 1 αυτών των καυσαερίων αναµιχθεί µε a αέρα, τότε η κατ' όγκο συγκέντρωση Ο 2 στο µίγµα, O y, θα είναι: O x + 0.21a O y = 1 + a Εφόσον η O y ορίζεται από τη νοµοθεσία, η ποσότητα αέρα θα είναι: a = O y O x 0.21 O y C Ox Η ανηγµένη σε οξυγόνο O y συγκέντρωση του ρυπαντή θα είναι τότε: C Oy = 1 + a 0.21 O y Μετά την εκτέλεση των πράξεων προκύπτει: C Oy = C Ox norm O όπου norm O = 0.21 O x Για το εξεταζόµενο παράδειγµα, ισχύουν τα εξής: O2 Κατ' όγκο περιεκτικότητα των καυσαερίων σε Ο 2 O x := O x = 4.911 % flue_dry Προβλεπόµενη από τη νοµοθεσία περιεκτικότητα Ο 2 O y := 3% Συντελεστής αναγωγής των συγκεντρώσεων ρυπαντών σε προβλεπόµενη από τη νοµοθεσία περιεκτικότητα Ο 2 21% O y norm O := norm 21% O O = 1.119 x Συγκεντρώσεις ρυπαντών σε ξηρά καυσαέρια κανονικής θερµοκρασίας, συγκέντρωσης Ο 2 3% κατ' όγκο normc NO2 := dry_ncc NO2 norm O normc NO2 = 7.786 gm normc SO2 := dry_ncc SO2 norm O normc SO2 = 6.319 gm normc prt := dry_ncc prt norm O normc prt = 46.208 gm

Οριακές τιµές εκποµπής ρυπαντών θερµοηλεκτρικού σταθµού, σε ξηρά καυσαέρια κανονικής θερµοκρασίας σε περίσσεια οξυγόνου 3%. limso 2 := 1700 mg limno 2 := 650 mg limprt := 50 mg Συνεπώς απαιτούνται αντιρρυπαντικές διατάξεις για την κατακράτηση µέρους του SO 2, ΝΟ 2 και σωµατιδίων, µε την εξής ελάχιστη απόδοση: normc SO2 limso 2 y SO2 := y SO2 = 73.097% normc SO2 normc NO2 limno 2 y NO2 := y NO2 = 91.652% normc NO2 normc prt limprt y prt := y normc prt = 99.892 % prt Θεωρώντας εγκατεστηµένες τις απορρυπαντικές διατάξεις, οι µαζικές ροές στην έξοδο της καπνοδόχου είναι: m SO2 := ( 1 y SO2 ) m SO m SO2 = 0.587 kg 2 m NO2 := ( 1 y NO2 ) m NO m NO2 = 0.225 kg 2 m prt := ( 1 y prt ) m prt m prt = 0.017 kg Συνολική µοριακή ροή των καυσαερίων m CO2 m SO2 m NO2 flue := + +... mw CO2 mw SO2 mw flue = 2.241 10 4 NO2 + H2O + N2 + O2 Συνολική ροή όγκου των καυσαερίων flue R T o V := V = 777.926 m3