Substancja gazowa:

(1)

1

Wykład 1 Charakterystyka techniczna gazów palnych. Spalanie gazu. Przykłady obliczeń.

1

Substancja gazowa:

!

ciało, które nie ma własnego kształtu, swobodnej powierzchni i objętości

niezależnej od kształtu naczynia. _by^ARRG

.ch

2

Gaz palny:

!

mieszaniny palnych i niepalnych substancji gazowych stosowanych w technice jako paliwo.

!

Przydatność gazów palnych zależy od własności składników palnych oraz od ich udziału procentowego w mieszaninie.

3

(2)

Skład suchego i oczyszczonego gazu palnego:

!

CO + H2 + CH4 + CmHn + CO2 + O2 + N2 = 100%

Palne Niepalne

4

Składniki niepalne/obojętne

!

obniżają szybkość spalania i podwyższają ciężar właściwy gazu.

Zanieczyszczenia

!

para wodna, siarkowodów, amoniak, powodują korozję powierzchni przewodów.

Substancje osadzające się zmniejszają przekrój przewodów.

5

Zanieczyszczenia

!

Amoniak i siarkowodór po spaleniu dają gryzące i silnie korodujące gazy (spaliny).

Zawartość NOx sprzyja powstawaniu żywicowatych substancji zatykających dysze palników.

CCby scribbletaylor

6

(3)

Rozróżniamy

!

gazy naturalne np. gaz ziemny, gaz ziemny zaazotowany

gazy sztuczne np. ze zgazowania, odgazowania

7

Gazy naturalne Gaz ziemny

!

mieszanina gazów, wydobywany ze złóż czysto gazowych lub ropno-gazowych.

!

wysoka zawartość metanu CH4

w sieci stabilizowany jako gaz E (GZ-50)

!

31MJ/m³

CCby danielfoster437 8

Gazy naturalne

Gaz ziemny zaazotowany

!

zawiera znaczne ilości azotu (30-40%, a nawet do 60%). Największe złoża w Polsce, w okolicach Ostrowa Wlkp. (45% N2 i 55%

CH4).

!

Stosowany przede wszystkim w przemyśle;

jako gaz komunalny (Ls, GZ-35) pod warunkiem zastosowania odpowiednich palników i ściśle określonego ciśnienia w sieci.

24 MJ/m³

9

(4)

Gazy naturalne Gaz płynny

!

węglowodorowy jest to mieszanka ciekłego propanu (60%) z butanem (40%) w dowolnym stosunku (zimą więcej propanu) lub każdy z tych gazów osobno.

!

46.1 MJ/kg

10 CCby ul_Marga

10

Gazy naturalne

Gaz z odmetanowania kopalni

!

rodzaj gazu ziemnego rozcieńczonego powietrzem; zawierający 75% i więcej metanu nazywamy mocnym, poniżej 65%

słabym.

11

by jeancliclac

Biogaz

•

gaz otrzymany wyniku procesów fermentacji

metanowej odpadów rolniczych

•

mieszanina metanu i dwutlenku węgla produkowana w

warunkach beztlenowych

•

>55% metanu

12

(5)

Gazy sztuczne

!

otrzymywane poprzez:

Odgazowanie Zgazowanie Konwersję metanu Krakowanie

13

Gazy sztuczne - otrzymywanie Odgazowanie

!

termiczny rozkład paliwa bez dostępu powietrza; w wyniku otrzymujemy: gaz wytlewny, parasmołę, wodę amoniakalną; w wyższej temperaturze: gaz węglowy, smołę, koks i wodę amoniakalną.

14

Gazy sztuczne - otrzymywanie Zgazowanie

!

niezupełne spalenie paliwa za pomocą powietrza, pary wodnej lub obu tych czynników łącznie.

by tristrambrelstaff

15

(6)

Gazy sztuczne - otrzymywanie Konwersja metanu

!

przemiana metanu pod działaniem pary wodnej lub CO2 w wysokiej temperaturze w obecności katalizatorów, w rezultacie otrzymujemy mieszaninę wodoru i CO (gaz syntezowy).

16

Gazy sztuczne - otrzymywanie Krakowanie

!

termiczne rozszczepienie drobin związków organicznych na związki o mniejszej ilości atomów węgla w drobinie e.g.

otrzymywanie gazów palnych przez krakowanie olejów.

17

Gazy sztuczne - przykład Gaz miejski

!

gaz palny otrzymywany z różnych surowców energetycznych i rozprowadzany przez sieć rurociągów jako paliwo do celów komunalnych i przemysłowych. Jako gaz miejski stosowany być może:

czysty gaz węglowy z innymi gazami palnymi produkt rozkładu gazu ziemnego lub porafineryjnego

gaz uzyskany z rozkładu olejów

18

(7)

Palne składniki gazu

19

Zapis wzoru chemicznego

!

Metan CH 4 Etan C 2 H 6 Propan C 3 H 8 Butan C 4 H 10 C m H n

C m H (m*4-(m+(m-2)))

20

Skład chemiczny gazów ziemnych

21

(8)

Skład chemiczny gazów ziemnych

22

Ciepło spalania

Ciepło spalania gazu pod stałym ciśnieniem jest ilością ciepła powstającego z jednostkowej objętości paliwa, odmierzonej w standardowych warunkach, spalonego w nadmiarze powietrza w ten sposób, że spaliny składają się z dwutlenku węgla, dwutlenku siarki, tlenu, azotu oraz skroplonej wody (ilość pary wodnej w spalinach odpowiada ilości wprowadzonej z powietrzem i paliwem). Przez standardowe warunki rozumie się ciśnienie jednej standardowej atmosfery i temperaturę 25°C (definicja brytyjska).

23

Wartość opałowa

KALORYCZNOŚĆ, WARTOŚĆ OPAŁOWA, CIEPŁO SPALANIA 

Kaloryczność paliwa jest to ilość ciepła wydzielana przy całkowitym spaleniu jednostkowej ilości paliwa w określonych warunkach. Dla gazów wartość tę można wyrazić w kcal/m³ lub MJ/m³. Jednostką zalecaną przez IGU (International Gas Union) jest megadżul na metr sześcienny (MJ/m³ ).

24

(9)

Wartość opałowa

Typowy gaz ziemny ma wartość opałową około 37 MJ/m³ . Wartości te mogą być albo brutto albo netto.

Wartość brutto (gross) odnosi się do przyjętego w Polsce pojęcia ciepło spalania , tj. do wartości opałowej powiększonej o ciepło kondensacji pary wodnej powstającej przy spalaniu, podczas, gdy wartość netto (net) oznacza, że chodzi o polski termin wartość opałowa, a więc o sytuację, gdy woda pozostaje w stanie pary.

25

Wartość opałowa

Ogólnie można przyjąć, że wartość netto jest mniejsza od wartości brutto: dla gazu ziemnego i gazów węglowych o 10,0% ,dla LPG o 7,5% ,dla destylatów i olejów opałowych o 6,0% ,dla paliw stałych o 3,0% Decyzja o zastosowaniu wartości opałowej bądź ciepła spalania zależy od konkretnego przypadku. Dla celów statystycznych częściej stosuje się wartość brutto (ciepło spalania), zaś do pewnych współczynników użytkowych i porównań między różnymi paliwami większe znaczenie ma wartość netto (wartość opałowa), która odpowiada użytecznej ilości ciepła. Niezależnie jednak od przyjętej podstawy obliczeń, proste porównywanie kaloryczności paliw może prowadzić do błędnych wniosków, jeśli nie uwzględni się efektywności docelowego zastosowania i ten element powinien być zawsze brany pod uwagę

26

Temperatura zapalenia (samozapłonu)

!

jest to najniższa temperatura, do której należy ogrzać mieszaninę gazu palnego z powietrzem znajdującą się pod ciśnieniem normalnym, aby zapaliła się samorzutnie bez udziału czynnika inicjującego.

27

(10)

Prędkość płomienia

•

spalanie laminarne / turbulentne

•

płomień stabilny

•

unoszenie się płomienia (liftoff)

•

połykanie płomienia (flashback)

28

Stabilizacja płomienia

29

Granice spalania

(flammability limits)

Dolna granica Górna

granica Metan

CH 5 15

Propan

C 2.1 10.1

n-Butan

C 1.86 8.41

W tabeli podano procent gazu w powietrzu

30

(11)

Prędkość płomienia

(flame speed)

Maksymalna prędkość

cm/s Metan

CH 33.5

Propan

C 39.6

n-Butan

C 36.6

H ∼100

31

Spalanie - 3 formy spalania mieszaniny gazu z powietrzem

!

spalanie ustabilizowane spalanie wybuchowe spalanie detonacyjne

by Sybren A. Stüvel at Flickr

32

Spalanie ustabilizowane

!

spalanie przebiegające ze stałą prędkością przy czym ciśnienie gazów spalinowych utrzymuje się na stałym poziomie w wyniku przekazywania ciepła na drodze

przewodnictwa i promieniowania od warstwy palącej się do nie objętej reakcją spalania.

!

Występuje w palnikach gazowych; prędkość przesuwania się płomienia u wylotu palnika 0,3-5 m/s

by BotheredByBees at Flickr 33

33

(12)

!

W wyniku spalania mieszaniny powietrza i gazu wypełniającej zamkniętą przestrzeń, powstające produkty spalania nagrzewają się do wysokiej temperatury, a następnie

gwałtownie się rozszerzają, działając niszcząco.

Spalanie wybuchowe

34

!

W długich przewodach gazowych,

wypełnionych mieszaniną powietrzno-gazową, po zapoczątkowaniu spalania powstałe gazy spalinowe, nie mając możliwości swobodnego rozszerzania się za frontem płomienia, sprężają przyległe warstwy mieszaniny. Fala

uderzeniowa porusz się z szybkością 1-3 km/s.

Spalanie detonacyjne

35

Rodzaje gazu sieciowego

•

gaz ziemny wysokometanowy E (GZ50)

•

gaz ziemny zaazotowany Lw (GZ-41.5) Ls (GZ-35)

36

(13)

Gaz ziemny wysokometanowy typu E (dawniej GZ-50)

- ciepło spalania - zgodnie z Rozporządzeniem Ministra Gospodarki z dnia 2 lipca 2010r. w sprawie

szczegółowych warunków funkcjonowania systemu gazowego - nie mniejsze niż 34,0 MJ/m3!

- wartość opałowa - nie mniejsza niż 31,0 MJ/m3 1)!

* przykładowy skład:!

- metan (CH4) - około 97,8 %!

- etan, propan, butan - około 1%!

- azot (N2) - około 1%!

- dwutlenek węgla (CO2) i reszta składników - 0,2 %

37

Gaz ziemny zaazotowany typu Lw (dawniej GZ-41,5)

- metan (CH4) - około 79 %!

- azot (N2) - około 19,5%!

- dwutlenek węgla (CO2) i reszta składników - 0,5 %

38

Gaz ziemny zaazotowany typu Ls (dawniej GZ-35)

- metan (CH4) - około 71 %!

- azot (N2) - około 27%!

- dwutlenek węgla (CO2) i reszta składników - 1 %

39

(14)

Spalanie gazu

by ccarlstead at Flickr 40

40

Spalanie

!

Zupełne - produktem jest najtrwalszy z możliwych do uzyskania w danej reakcji związek chemiczny

!

Całkowite - brak dymu i substancji palnych w popiele

!

41

Spalanie

Niecałkowite - pozostałości niedopalonego paliwa (nie zapewiono odpowiedniej ilości powietrza)

Niezupełne - substancja z jakiegoś powodu nie moze utlenić się zupełnie

!

Współczynnik nadmiaru powietrza = 1,1 - 1,3

42

(15)

Obliczanie parametrów gazu

43

Przeliczanie warunków normalnych na ruchowe

!

b - ciśnienie barometryczne, mm Hg p - nadciśnienie gazu, mm Hg

r - prężność pary wodnej dla temperatury t

44

Warunki ruchowe

ćwiczenie obliczeniowe

45

(16)

Liczba Wobbego

W = Q

c

/ d^0,5

!

Qc - ciepło spalania MJ/m³

d - gęstość względna gazu do powietrza

46

Obliczanie ciepła spalania na podstawie składu gazu

!

A, B, C,.. - udział procentowy

q1,q2,q3,.. - ciepła spalania poszczególnych składników gazów palnych

47

Ciepło spalania

48

(17)

Skład chemiczny gazów ziemnych

49

Wartość opałowa

50

Teoretyczne zapotrzebowanie powietrza do spalania gazu

!

wzór Rosina:

!

Qw - wartość opałowa gazu, kcal/nm³

51

(18)

Teoretyczne zapotrzebowanie powietrza do spalania gazu

!

CmHn - zawartość węglowodorów w gazie, % m - liczba atomów węgla w drobinie

n - liczba atomów wodoru w drobinie

52

Teoretyczne zapotrzebowanie powietrza do spalania gazu - inny wzór

53

Ilość powietrza do spalania

54

(19)

Rzeczywiste zapotrzebowanie powietrza do spalania gazu

!

L = α · L

0 nm³/nm³

!

α - współczynnik nadmiaru powietrza

55

Współczynnik nadmiaru powietrza

•

3% więcej powietrza ze względu na stopień wymieszania

•

>3% w zależności od wyposażenia i paliwa (ustawiane z doświadczenia)

•

dolna granica (LFL lower flammability limit)

•

górna granica (UFL upper flammability limit)

56 CCby JuliánH

56

Współczynnik nadmiaru powietrza

57 CCby JuliánH

λ w paleniskach gazowych nadmuchowych 1.1-1.3 w paleniskach gazowych atmosferycznych 1.25-1.5

w paleniskach olejowych 1.2-1.5 w paleniskach węglowo-pyłowych 1.2-1.3 w mechanicznych paleniskach węglowych 1.3-1.5 w paleniskach węglowych zasilanych ręcznie 1.5-2.0

57

(20)

Ilość produktów spalania

!

Teoretyczna objętość azotu przy α = 1,0

!

V

N2

= 0,79·L

0

+ 0,01·N

2 nm³/nm³

!

Objętość gazów trójatomowych przy α = 1,0

!

V

RO2

= 0,01(CO

2

+CO+∑mC

m

H

n

+H

2

S)

nm³/nm³

58

Ilość produktów spalania

!

Teoretyczna objętość pary wodnej przy α = 1,0 i wilgotności d w g na 1 kg suchego powietrza

!

Objętość pary wodnej α > 1,0

59

Ilość produktów spalania

!

Całkowita objętość spalin będzie wynosiła:

60

(21)

Objętość produktów spalania

61

Palne składniki gazu

62

63

(22)

CO

2

emission calculation

CH 4 + 2 O 2 = CO 2 + 2 H 2 O

(12+4*1) + 2(2*16) = (12+2*16) + 2(2*1+16)

!

16 kg of methane produces 44 kg of carbon dioxide; or 2.75 kg of carbon dioxide is produced for each kg of methane burned.

64