I TERMODYNAMIKA SPALANIA

Zadanie 16.1

Węgiel kamienny o następującym składzie masowym substancji bezpopiołowej i bezwod-nej:

79% C + 5% H + 1,1% Sp + 14% O + 0,9% N = 100%

zawiera 6% wilgoci i 10% popiołu. Obliczyć skład masowy węgla w stanie roboczym, a następnie zapotrzebowanie powietrza do spalania oraz ilości i składy spalin wilgotnych i suchych, jeżeli liczba nadmiaru powietrza  = 1,4.

Rozwiązanie

Skoro udział wilgoci i popiołu wynosi:

W + A = 16%

to substancja bezpopiołowa i bezwodna stanowi 84% całej masy węgla, a skład elementar-ny tego węgla uzyskuje się, mnożąc podane wyżej udziały przez 0,84:

66,36% C + 4,2% H + 0,924% Sp + 11,76% O + + 0,756% N + 6,0% W + 10,0% A = 100%

Minimalna ilość powietrza do spalania:

pal

Rzeczywista ilość powietrza doprowadzanego do spalania:

pal.

Ilość powstających spalin wilgotnych:

 

Ilość spalin suchych

pal

Celem wyznaczenia składów spalin obliczamy objętości poszczególnych składników spa-lin:

pal.

Skład spalin wilgotnych:

 

= 0,1275

Skład spalin suchych:

 

= 0,1350

Zadanie 16.2

Dla węgla z poprzedniego zadania wyznaczyć maksymalną zawartość dwutlenku węgla w spalinach suchych [CO2]max, a następnie określić przybliżoną wartość liczby nad-miaru powietrza  dla zmierzonych analizatorem wartości [CO₂] = 13,5% i [O2] = 6,1%.

Wyniki:

spmin

V = 6,601 um³/kg pal., [CO2]max = 19,03%,  

CO2 1,41,  

O2 1,41.

Zadanie 16.3

Sprawdzić, czy emisja dwutlenku siarki SO2 w zad. 16.1 nie przekracza wartości do-puszczalnej przez rozporządzenie Ministra Ochrony Środowiska z dnia 12 II 1990 r. dla nowych kotłów pyłowych lub z rusztem mechanicznym, wynoszącej 200 g/GJ.

Rozwiązanie

Obliczoną uprzednio ilość SO2 wyrazić trzeba w gramach:

pal.

Energię chemiczną 1 kg paliwa wyraża wartość opałowa tego paliwa  w przypadku węgla można ją obliczyć ze wzoru Dulonga:

kg

Emitowana masa SO2 odniesiona do energii chemicznej spalanego węgla wynosi więc:

g/GJ spełniało wymagania ochrony środowiska, trzeba usunąć ze spalin:

kg/kg

czyli co najmniej 72,2% zawartej w nich masy SO2.

Zadanie 16.4

Olej opałowy zawierający w swojej masie 86% węgla elementarnego C, 12% wodoru atomowego H, 1% siarki palnej Sp, 0,6% tlenu atomowego O i 0,4% azotu atomowego N spalany jest z nadmiarem powietrza wyrażonym przez liczbę nadmiaru powietrza  = 1,15.

Obliczyć zapotrzebowanie powietrza oraz ilości i składy spalin: wilgotnych i suchych.

Wyniki: V_p = 12,66 um³/kg pal., Vsp = 13,35 um³/kg pal., V_spsuch= 11,99 um³/kg pal.

Zadanie 16.5

Dla spalin z poprzedniego zadania obliczyć maksymalną zawartość dwutlenku węgla w spalinach suchych [CO2]max, a następnie wyznaczyć przybliżoną wartość liczby nadmiaru powietrza dla zmierzonych wartości: [CO2] = 13,6% i [O2] = 2,9%.

Wyniki: (V_spsuch)_min= 10,33 um³/um³pal., [CO₂ ]_max=15,75%,  

CO2 1,16,  

O2 1,16.

Zadanie 16.6

Sprawdzić, czy spaliny z zad. 16.4. spełniają wymagania przepisów ochrony środowi-ska dla dopuszczalnej emisji dwutlenku siarki SO2: (a) z małych palenisk o mocy E_CH< 50 MW i (b) z dużych palenisk o mocy E_CH> 50 MW.

W przypadku (a) dopuszcza się 1250 g SO2/GJ, natomiast w przypadku (b) 3-krotnie granicę dopuszczalną dla dużych palenisk (b).

Zadanie 16.7

Tak zwany gaz płynny składa się z 80% propanu C3H8 i 20% butanu C4H10. Obliczyć ilość powietrza do spalania, przy 5-procentowym jego nadmiarze, oraz ilości i składy spa-lin wilgotnych i suchych.

Rozwiązanie

Spalanie obu składników gazu płynnego odbywa się według równań:

C3H8 + 5O2  3CO₂ + 4H2O C4H10 + 6¹₂ O2  4CO₂ + 5H2O Ilość tlenu do spalania:

.

Ilość powietrza:

pal.

Objętości składników spalin:

 

-1V 0,210,05 25,2 = 0,265um /um pal.

Objętość spalin całkowitych:

pal.

Objętość spalin suchych:

.

Skład spalin wilgotnych:

 

Skład spalin suchych:

 

Zadanie 16.8

Wyznaczyć maksymalną zawartość dwutlenku węgla CO2 w spalinach suchych z poprzedniego zadania i obliczyć przybliżone wartości liczby nadmiaru powietrza  w przy-padku znanych z pomiaru zawartości: [CO2] = 13% i [O2] = 1,1%.

Wyniki: (V_spsuch)_min= 23,14 um³/um³pal., [CO₂]_max= 13,8%,  

CO2 1,06,  

O2 1,055.

Zadanie 16.9

Gaz koksowniczy mający następujący skład objętościowy (molowy):

%

spalany jest z nadmiarem powietrza wyrażonym liczbą:  = 1,04. Obliczyć zapotrzebowa-nie powietrza oraz ilości i składy spalin: całkowitych i suchych.

Wyniki: Vp =5,00 um³/um³pal., Vsp = 5,73 um³/um³pal., V_spsuch= 4,53 um³/um³pal.

(CO2) = 8,20%, [CO2] = 10,37%, (H2O) = 20,93%,

(N2) = 70,17%, [N2] = 88,75%, (O2) = 0,70%. [O2] = 0,88%,

Zadanie 16.10

Obliczyć dla gazu koksowniczego z poprzedniego zadania maksymalną zawartość CO2 w spalinach suchych: [CO2]max i określić przybliżone liczby nadmiaru powietrza dla zmierzonych analizatorami zawartości: [CO2] = 10,4% i [O2] = 0,9%.

Wyniki: (V_spsuch)_min= 4,34 um³/um³pal., [CO₂]_max= 10,83%,  

CO2 1,04,  

O2 1,04.

Zadanie 16.11

Zbadać rachunkowo, na ile zmieni się skład spalin w zad. 16.1, jeżeli uwzględni się wilgotność powietrza użytego do spalania, skoro powietrze to przy temperaturze 12C i ciśnieniu 100 kPa ma wilgotność względną  = 0,7.

Rozwiązanie

Zawartość wilgoci przypadająca na 1 kg suchego powietrza:

kg/kg

Masa 1 um³ powietrza suchego wynosi:

kg

Tak więc 1 um³ powietrza suchego wnosi do procesu spalania parę wodną (wilgoć) w ilo-ści: wilgoć w łącznej ilości:

0,07428 spalin i powiększa ilość spalin całkowitych oraz udział pary wodnej w tych spalinach.

Obliczona w zad. 16.1 ilość powietrza Vp = 9,45 um³/kg pal. jest ilością powietrza suchego  wskazuje na to udział tlenu: 21% (dokładniej: 20,95%) w powietrzu suchym.

Razem z wilgocią ilość powietrza wynosi V_p = 9,544 um³/kg pal., jest go więc tylko o 1% więcej. W praktyce nie ma to znaczenia wobec poważniejszej niepewności oszacowa-nia (przyjętej do obliczaoszacowa-nia Vp) liczby nadmiaru powietrza .

Ilość spalin całkowitych powiększa się do

9,948

a zawarta w spalinach ilość pary do

0,6462

Skład spalin wilgotnych jest więc następujący:

 

Udział pary wodnej w spalinach wzrósł z 5,61 do 6,50%, czyli o 0,89 punktu procen-towego, a więc jest to wzrost o 16%. Udziały pozostałych, głównych składników zmalały o 0,9%. Skład spalin suchych pozostaje oczywiście niezmieniony.

Zadanie 16.12

Obliczyć skład spalin wilgotnych powstających ze spalania oleju w zad. 16.4 z uwzględnieniem wilgotności powietrza, określonej przez wilgotność względną 75% przy 20C i 100 kPa, oraz porównać wyniki obydwu obliczeń.

Wynik: (CO₂) = 11,99%, (H2O) = 11,70%, (SO2) = 0,05%, (N2) = 74,70%, (O2) = 2,55%.

Zadanie 16.13

Obliczyć zmieniony, wskutek uwzględnienia wilgotności względnej powietrza:  = 0,6 przy 15C i 100 kPa, skład spalin wilgotnych powstałych z gazu koksowniczego wg danych zadania 16.9 i porównać wyniki obydwu obliczeń.

Wynik: (CO2) = 8,13%, (H2O) = 21,65%, (N2) = 69, 54%, (O2) = 0,69%.

Zadanie 16.14

Obliczyć temperaturę rosy spalin z zadania 16.1, jeżeli ciśnienie tych spalin wynosi 100 kPa.

Rozwiązanie

Temperaturą rosy jest temperatura nasycenia (parą wodną) odpowiadająca ciśnieniu skład-nikowemu pary w mieszaninie gazów  w tym przypadku w spalinach.

Ciśnienie składnikowe pary:



H O



P = 0,0561100 = 5,61kPa

= P r

=

P_{H2O H2O 2} 

Z tablicy 5 pary wodnej nasyconej (w załączniku) odczytujemy dla 5,61 kPa tempera-turę nasycenia (po interpolacji):



 t = 34,9

t_{s r} 35,0C

Zadanie 16.15

Obliczyć temperaturę rosy spalin z zad. 16.1, po uwzględnieniu wilgotności powietrza (zad. 16.11), dla ciśnienia spalin 100 kPa.

Wynik: tr = 37,4C

Zadanie 16.16

Obliczyć temperaturę rosy spalin z oleju opałowego wg zad. 16.4 oraz zad. 16.12 (z uwzględnioną wilgotnością powietrza) przy ciśnieniu spalin wynoszącym 100 kPa.

Wyniki: t_r = 46,2C, t_r = 49,9C.

Zadanie 16.17

Obliczyć teoretyczną temperaturę spalania węgla w warunkach zad. 16.1, jeżeli war-tość opałowa tego węgla Qi = 24 994 kJ/kg, temperatury początkowe wynoszą: powietrza tp

= 15C, węgla t_pal = 12C, popiołu opuszczającego palenisko t_A = 50C, a ciepło właściwe:

węgla cpal = 1,0 kJ/kgK i popiołu cA = 0,8 kJ/kgK. Dysocjację spalin pominąć  jest ona w tym zakresie temperatur niewielka.

Rozwiązanie

Teoretyczną temperaturę spalania oblicza się ze znanego wzoru bilansowego, zakłada-jąc zupełne i całkowite spalanie (Q_isp Q_iA =0) oraz adiabatyczność procesu (Qot = 0):

sp

Podstawiono tu

15

pp o

C = 1,28 kJ/um³K wyznaczone z tablicy 3 w załączniku przez interpo-lację podanych tam wartości c~ i podzielenie wyniku przez _p v~ = 22,71 um_u ³/kmol.

Otrzymane równanie:

555,7

Składnik Udział ri = zi nume-ryczna) daje wynik:

spmax

t = 1615C

Interpolacja liniowa jest tu w pełni uzasadniona, gdyż sieczne krzywej zmieniają nachyle-nie w obliczanym zakresie zaledwie o 1%.

Zadanie 16.18

Jaka byłaby teoretyczna temperatura płomienia w poprzednim zadaniu, gdyby popiół pozostawał w komorze spalania razem ze spalinami?

Wynik:

spmax

t = tA = 1608C.

Zadanie 16.19

Jaka byłaby teoretyczna temperatura spalania w zad. 16.17, gdyby została uwzględ-niona wilgotność powietrza, tak jak w zad. 16.11?

Wynik:

spmax

t = 1599C.

Zadanie 16.20

Obliczyć teoretyczną temperaturę spalania oleju opałowego w warunkach zad. 16.4, jeżeli wartość opałowa oleju Qi = 42 951 kJ/kg, temperatury: powietrza tp = 15C, oleju tpal

= 80C, a średnie ciepło właściwe oleju c_pal = 1,88 kJ/kgK. W obliczeniu pominąć dysocja-cję spalin.

Wynik:

spmax

t = 1995C.

Zadanie 16.21

Obliczyć teoretyczną temperaturę płomienia z gazu płynnego spalanego w warunkach podanych w zad. 16.7, jeżeli wartość opałowa tego gazu wynosi 95 293 kJ/um³, a tempera-tury powietrza i gazu są jednakowe i wynoszą 15C; ciepło właściwe gazu palnego: C_p = 3,29 kJ/um³K.

Dysocjację spalin, dla uproszczenia obliczeń, pominąć.

Wynik:

spmax

t = 2027C.

Zadanie 16.22

Obliczyć temperaturę rosy spalin z gazu płynnego wg zad. 16.7 przy ciśnieniu 100 kPa.

Wynik: t_r = 53,5C.

Zadanie 16.23

Obliczyć teoretyczną temperaturę płomienia z gazu koksowniczego spalanego w wa-runkach zadania 16.9, jeżeli wartość opałowa tego gazu Qi = 19 045 kJ/um³, jego tempera-tura wynosi 15C, a ciepło właściwe C_p = 1,385 kJ/um³K. Powietrze doprowadzane jest do palnika z temperaturą 10C. Dysocjację spalin pominąć.

Wynik: t_spmax= 2037C.

Zadanie 16.24

Obliczyć temperaturę rosy spalin z gazu koksowniczego wg zad. 16.9 i zad. 16.13 przy ciśnieniu spalin 100 kPa.

Wyniki: t_r = 61,0C, t_t = 61,7C.

W dokumencie Termodynamika. Zadania i przykłady obliczniowe (Stron 114-123)