Optymalizacja procesu spalania w komorach wstępnych silników gazowych

P O L I T E C H N I K A P O Z N A Ń S K A

W YDZIAŁ M A S ZYN R OB OC ZY CH I T RA NSP ORT U

ROZPRAWA DOKTORSKA

mgr inż. Michał Gołębiewski

Optymalizacja procesu spalania

w komorach wstępnych silników gazowych

Promotor:

prof. dr hab. inż. Tomasz Dobski

Promotor pomocniczy:

dr inż. Rafał Ślefarski

P OZNAŃ 2018

2

Pragnę podziękować wszystkim,

którzy przyczynili się do powstania tej pracy,

a w szczególności

Panu prof. dr hab. inż. Tomaszowi Dobskiemu

za cenne uwagi i wskazówki

oraz całemu zespołowi

Laboratorium Technologii Gazowych

Osobne wyrazy wdzięczności za okazane wsparcie

kieruję do moich najbliższych

3

Spis treści

Wykaz symboli i oznaczeń... 5

1 Wprowadzenie do problematyki pracy ... 7

1.1 Przemysłowe silniki gazowe ... 7

1.2 Metody optymalizacji procesu spalania ... 10

1.3 Istota i cel stosowania komór wstępnych ... 11

2 Cel i zakres pracy ... 12

3 Wybrane wielkości fizyczne charakteryzujące proces spalania ... 14

3.1 Podstawowe parametry ... 14

3.1.1 Temperatura samozapłonu ... 14

3.1.2 Adiabatyczna temperatura spalania ... 15

3.1.3 Prędkość spalania ... 18

3.1.4 Kąt wyprzedzenia zapłonu ... 24

3.2 Parametry charakterystyczne dla procesu spalania w silniku gazowym ... 26

3.2.1 Współczynnik nadmiaru powietrza ... 26

3.2.2 Energia zapłonu ... 27

4 Emisja związków toksycznych w procesie spalania paliw w silnikach gazowych ... 30

4.1 Powstawanie związków toksycznych podczas spalania mieszanek ubogich ... 30

4.1.1 Tlenki azotu ... 30

4.1.2 Formaldehyd ... 34

4.1.3 Węglowodory ... 35

4.2 Metody ograniczania emisji związków toksycznych ... 36

4.2.1 Recyrkulacja spalin... 36

4.2.2 Spalanie mieszanek ubogich ... 38

4.2.3 Reaktory katalityczne ... 40

4.2.4 Komory wstępne ... 41

5 Obliczenia numeryczne badanych obiektów ... 45

5.1 Jednowymiarowe modelowanie kinetyki spalania dwustopniowego ... 45

5.2 Modelowanie dwustopniowego procesu spalania w komorze izochorycznej ... 55

6 Badania procesu spalania w komorze izochorycznej ... 65

6.1 Metodyka badań laboratoryjnych ... 65

6.2 Proces przygotowania mieszanek badanych ... 66

6.3 Komora badawcza ... 67

6.4 Układ pomiarowy ... 68

6.5 Procedura pomiarowa ... 70

6.6 Wyniki pomiarów ... 72

6.7 Wnioski z badań laboratoryjnych ... 75

7 Badania procesu spalania w cylindrze silnika gazowego z komorą wstępną ... 77

7.1 Stanowisko badawcze ... 77

7.1.1 Informacje ogólne ... 77

4

7.1.2 Główny układ zasilania paliwa ... 79

7.1.3 Układ korbowy ... 81

7.1.4 Komora wstępna ECO-JET ... 82

7.1.5 Stanowisko badawcze ... 85

7.2 Metodyka badań przemysłowych ... 86

7.3 Wyniki badań i ich analiza ... 87

7.3.1 Wpływ rodzaju zapłonu oraz jego umiejscowienia na proces spalania ... 87

7.3.2 Wpływ regulacji kąta zapłonu ... 91

7.3.3 Wpływ zmiany składu mieszanki palnej w komorze spalania ... 94

7.4 Wnioski z badań przemysłowych ... 97

8 Podsumowanie, wnioski i kierunki dalszych prac ... 99

8.1 Podsumowanie zawartości pracy ... 99

8.2 Wnioski ... 102

8.3 Kierunki dalszych prac ... 102

Literatura ... 104

Załączniki ... 108

Spis rysunków ... 108

Spis tabel ... 113

5

Wykaz symboli i oznaczeń

Symbol Opis Jednostka

m Masa [kg]

𝑚̇ Strumień masy [kg/s]

c

Ciepło właściwe [J/kgK]

S

Prędkość laminarnego spalania [cm/s]

δr Grubość płomienia [mm]

τc Czas trwania reakcji utleniania [s]

C

Koncentracja produktów [-]

𝑊 Średnia szybkość reakcji [s]

µ

Koncentracja końcowa produktów [-]

ρ

Gęstość produktów spalania [kg/m

]

𝑉

̇ Strumień gazu paliwowego [m

/s]

𝑉

̇ Strumień powietrza [m

/s]

d Średnica dyszy [m]

𝑢

Prędkość wypływu mieszanki paliwowo-powietrznej [m/s]

𝑆

Prędkość płomienia turbulentnego [cm/s]

u’ Kwadratową wartości fluktuacji prędkości. [cm/s]

η Mikroskala turbulencji [-]

L Całkowa skala turbulencji [-]

ν Lepkość kinematyczna, [Ns/m

]

L

Aktualna ilość powietrza, [m

]

L

Stechiometryczna ilość powietrza. [m

] [CO

]

Maksymalna ilość CO

w spalinach dla danego paliwa [%]

H Energia zapłonu [mJ]

α Stopień rozpadu tlenu [%]

β Stopień rozpadu azotu [%]

λ Współczynnik przewodzenia ciepła [W/mK]

λ Współczynnik nadmiaru powietrza [W/mK]

T

Temperatura samozapłonu [K]

T

Temperatura substratów [K]

T

Temperatura produktów [K]

t Temperatura [

C]

q Strumień ciepła [W/m

]

T

Adiabatyczna temperatura spalania [K]

LHV Wartość opałowa [MJ/Nm

]

p Ciśnienie [Pa]

V Objętość [m

]

m Masa [kg]

R Stała gazowa [J/(kgK)]

6

V

Objętość komory izochorycznej [dm

]

p

Ciśnienie w komorze izochorycznej [bar]

COV Coeficient of Variation – Współczynnik równomierności [%]

α

Współczynnik dysocjacji CO

[%]

α

Współczynnik dysocjacji H

O [%]

ρ Gęstość [kg/m3]

ΔG Potencjał termodynamiczny [J]

h Entalpia [J/kg]

W

Liczba Wobbego [MJ/m

]

EGR Exhaust Gas Recirculation – Układ recyrkulacji spalin NO

Tlenki azotu

NO Tlenek azotu

CO Tlenek węgla

CO

Dwutlenek węgla

O

Tlen

N

Azot

THC, HC Węglowodory

CH

Metan

H

Wodór

H

O Woda

MK Mieszanka paliwowo-powietrzna

NG Gaz ziemny

Al

O

Tlenek glinu CeO

Tlenek wapnia FTC Świeca zapłonowa

PJC-S Pojedyncza komora wstępna PJC-D Podwójna komora wstępna

NH

Amoniak

MZiOS Ministerstwo Zdrowia i Opieki Społecznej IARC Międzynarodowa Agencja Badań nad Rakiem CH

O Formaldehyd

HCN Cyjanowodór

N

O Tlenek diazotu

N

O

Tritlenek diazotu

NO

Dwutlenek azotu

N

O

Pentatlenek diazotu

NO

Tritlenek azotu

N

O

Heksatlenek diazotu

SO

Dwutlenek siarki

GMP Górny Martwy Punkt

7

1 Wprowadzenie do problematyki pracy

1.1 Przemysłowe silniki gazowe

Energetyka stanowi podstawę wszelkiej działalności gospodarczej, a tym samym bazę rozwoju gospodarczego państw. Aktualnym problemem światowej gospodarki są: istotne wahania cen surowców energetycznych, rosnące zapotrzebowanie na energię w krajach rozwijających się oraz awarie systemów energetycznych i wzrastające zanieczyszczenie środowiska [1] [2]. Unia Europejska wyznacza dla krajów członkowskich kierunki polityki energetycznej, które mają przyczynić się do rozwiązania istniejących problemów. Aktualnie obowiązującym jest dokument opracowany przez Ministerstwo Gospodarki dotyczący Polityki energetycznej Polski do 2030 roku [1].

Zawarto w nim podstawowe kierunki i narzędzia realizacji polityki energetycznej kraju.

Głównym celem polityki energetycznej w obszarze gazu jest zapewnienie bezpieczeństwa energetycznego kraju poprzez dywersyfikację źródeł i kierunków dostaw gazu ziemnego. W szczegółowych celach zawarto między innymi rozbudowę systemów przesyłowych gazu oraz rozwój technologii pozyskiwania gazów na terenach Polski oraz innych krajów. Obecnie, paliwa gazowe stanowią ok. 13% źródeł wykorzystywanej energii pierwotnej. Udział gazu w strukturze zużycia energii pierwotnej w UE wynosi 23,9% [3]. Na rysunku 1.1 zestawiono całkowite zużycie energii pierwotnej w Polsce wraz ze wskazaniem zużycia paliw gazowych.

Rysunek Udział paliw gazowych w globalnym zużyciu energii pierwotnej w Polsce [4]

Polska Norma (PN-C-04750: 2011) wyróżnia wśród paliw gazowych: gaz ziemny wysokometanowy (symbol E, liczba Wobbego 45,1 MJ/m

≤ W

< 54,1 MJ/m

), oraz gaz ziemny zaazotowany (symbol L, liczba Wobbego 27,1 MJ/m

≤ W

< 45,1 MJ/m

) [5].

Statystyki GUS uwzględniają ponadto gaz wielkopiecowy (W

 4,0 MJ/m

).

Zdecydowanie najczęściej stosowanym gazem jest gaz ziemny wysokometanowy.

8 Zawiera on ponad 98% metanu i cechuje się ponad 50% wyższą wartością opałową niż gaz zaazotowany. W 2015 roku w Polsce wydobyto 104 294 TJ gazu wysokometanowego dodatkowe 418 358 TJ pochodziło z importu [4]. Całkowite zużycie gazu zaazotowanego wyniosło 94 807 TJ, a gazu wielkopiecowego 26 470 TJ (rys. 1.2). Udział gazu wysokometanowego wynosił więc ponad 80% całkowitego wykorzystania paliw gazowych.

Rysunek Udział gazu wysokometanowego w globalnym zużyciu paliw gazowych w Polsce [4]

Głównym przemysłowym odbiorcą paliwa gazowego Polsce są zakłady azotowe (ok. 16%), elektroenergetyka, handel i usługi oraz gospodarstwa domowe [2] [6] [7] [8]

[9]. Paliwa gazowe wykorzystywane są między innymi do zasilania stacjonarnych silników przemysłowych. Tłokowe silniki gazowe zasilane są przede wszystkim gazem wysokometanowym. Istnieją jednak również układy wykorzystujące gaz zaazotowany, rafineryjny, koksowniczy lub pochodzący z wysypisk śmieci czy oczyszczalni ścieków.

Ze względu na konstrukcję oraz sposób zasilania paliwem, tłokowe silniki stacjonarne dzieli się na trzy podstawowe grupy [10] [11]:

 silniki gazowe z zapłonem iskrowym (zakres małych mocy),

 silniki dwupaliwowe, tzn. zasilane paliwem gazowym oraz niewielką dawką paliwa ciekłego, w postaci oleju napędowego, w celu inicjowania zapłonu mieszanki (zakres średnich mocy),

 silniki wysokoprężne (duże moce).

Zależność sprawności i mocy wybranych silników gazowych zaprezentowano na

rysunku 1.3. Największą mocą nominalną cechują się silniki parowe i układy gazowo-

parowe. Z kolei największą sprawność termiczną osiągają wolnoobrotowe silniki

o zapłonie samoczynnym. Najmniej korzystnie, zarówno pod względem osiąganej mocy

nominalnej jak i sprawności termicznej, wypadają turbiny gazowe.

9

Zakresy sprawności i mocy wybranych silników i turbin przemysłowych zestawiono na rysunku 1.4. Wykazano na nim ocenę rozwiązań poszczególnych producentów. Ponownie wskazano, że siniki tłokowe, bez względu na model, cechują się zdecydowanie wyższą sprawnością wynoszącą powyżej 40%, a turbiny gazowe osiągają wyższą moc nominalną (prawie do 1000 MW).

Rysunek Stosunek sprawności katalogowej i mocy wybranych silników tłokowych i turbin gazowych [12]

Najczęstszym zastosowaniem gazowych silników tłokowych są zastosowania

kogeneracyjne, tj. połączona produkcja energii elektrycznej oraz ciepła. Dodatkowo,

wśród zastosowań wyróżnić można ich wykorzystanie do bezpośredniego napędu

sprężarek gazu ziemnego pracujących w tłoczniach gazociągów przesyłowych oraz

w tłoczniach złożowych. W tłoczniach zlokalizowanych w gazociągach o większej

przepustowości stosuje się turbiny gazowe.

10

1.2 Metody optymalizacji procesu spalania

Mimo tego, że proces spalania w obiektach przemysłowych ma bardzo duże znaczenie ekonomiczno-ekologiczne, jego przebieg jest zwykle kontrolowany jedynie w ograniczony sposób [13]. Zauważyć również należy, że mimo rosnącej świadomości społecznej, możliwości technologicznych i zaplecza naukowo-badawczego, w instalacjach przemysłowych nadal stosuje się stosunkowo prymitywne metody sterowania przebiegiem tego procesu. Na podstawie analizy literatury wyróżnić można szereg czynności pozwalających na optymalizację procesu spalania. Większość rozwiązań koncentruje się na poprawie wydajności oraz na ograniczeniu emisji szkodliwych zanieczyszczeń. Wśród stosowanych metod wyróżnia się [13] [14] [15]

[16]:

 optymalizację procesu mieszania paliwa z powietrzem,

 recyrkulację spalin,

 zwiększenie ciśnienia turbodoładowania,

 zmianę kąta wyprzedzenia zapłonu.

Przez optymalizację procesu mieszania paliwa z powietrzem rozumie się działanie dotyczące takiego zaprojektowania układu wtryskowego, które pozwoli osiągnąć maksymalny stopień wymieszania gazów. Nierówne stężenia powietrza i paliwa mogą spowodować znaczny wzrost emisji i obniżenie wydajności spalania. Dzięki dokładnemu wymieszaniu gazu i powietrza możliwe jest zlikwidowanie zbyt gorących oraz zbyt zimnych obszarów w płomieniu, które odpowiadają za emisję tlenków azotu, tlenków węgla oraz węglowodorów.

Recyrkulacja spalin (EGR, ang. Exhaust Gas Recirculation) pozwala na ograniczenie emisji związków szkodliwych spalin poprzez wprowadzenie do komory spalania silnika części spalin. Procesowi recyrkulacji poddaje się 20-30% objętości spalin [10]. Zastosowanie takiego rozwiązania pozwala na przyśpieszenie odparowania paliwa płynnego, obniżenie temperatury spalania mieszanki paliwowo-powietrznej oraz utlenienie pozostałych w spalinach niespalonych węglowodorów (THC) [17]. Finalnie zastosowanie układu EGR pozwala na ograniczenie emisji tlenków azotu (NO

) [18] .

Zwiększenie ciśnienia doładowania przy zachowaniu stałej dawki paliwa pozwala na redukcję emisji tlenków azotu. Zjawisko to jest konsekwencją zwiększenia współczynnika nadmiaru powietrza w cylindrze poprzez możliwość wtłoczenia większej ilości powietrza. Pozytywne rezultaty zastosowania wyższego ciśnienia doładowania na emisję NO

zostały zaprezentowane w pracach [18] [19].

Zmiana kąta wyprzedzenia zapłonu ma znaczący wpływ na proces spalania w cylindrze silnika spalinowego. Przy doborze tego parametru brane są pod uwagę takie czynniki jak: rodzaj paliwa, obciążenie i prędkość obrotowa silnika. Paliwa charakteryzują się różnymi właściwościami, a w szczególności prędkością spalania.

Wyprzedzenie zapłonu w silnikach spalinowych ma na celu zapewnienie zapłonu całej

mieszanki znajdującej się w cylindrze silnika spalinowego w momencie poprzedzającym

osiągnięcie górnego martwego punktu (GMP) przez tłok. Optymalna wartość kąta

wyprzedzenia zapłonu pozwala na osiągnięcie maksymalnej mocy silnika. Każda

11 odchyłka w kierunku opóźnienia zapłonu skutkuje pogorszeniem procesu spalania (wzrost emisji THC), lecz osiągnięcie niższych ciśnień oraz temperatur płomienia skutkuje obniżenie emisji NO

[20] [21] [22] [23] [24].

1.3 Istota i cel stosowania komór wstępnych

W gazowych stacjonarnych silnikach tłokowych stosuje się wiele metod pozwalających na ograniczenie emisji zanieczyszczeń. Sposobem pozwalającym na znaczącą redukcję emisji tlenków azotu jest spalanie mieszanek ubogich (tzw. technologia lean-burn). W rozwiązaniu tym stosowane są wstępne komory spalania, będące miejscem inicjacji zapłonu. W komorze tej część paliwa spalana jest jako mieszanka bogata (λ0,9). Kolejno płomień rozprzestrzenia się na całą objętość cylindra, a spalanie odbywa się z dużym nadmiarem powietrza (λ2-2,3). Pozwala to na znaczące obniżenie temperatury spalania, co dalej prowadzi do ograniczenia emisji tlenków azotu.

W zależności od przyjętego współczynnika nadmiaru powietrza λ zmienia się emisja związków toksycznych w spalinach (rys. 1.5). Największe różnice zauważalne są w przypadku emisji tlenków azotu. Najwyższa wartość współczynnika emisji dla tego związku występuje przy spalaniu mieszanki około stechiometrycznej (λ1-1,15).

Spalanie mieszanek ubogich, czyli zwiększenie współczynnika nadmiaru powietrza do wartości około 2, powoduje znaczące obniżenie emisji tlenków azotu i osiągnięcie sprawności termicznej powyżej 40%. Dlatego też wszystkie zmiany konstrukcyjne, stosowane w silnikach w celu zwiększenia sprawności, są zawsze korzystne z ekologicznego punktu widzenia. Przy spalaniu mieszanek ubogich, ważnym jest również zachowanie wysokiego ciśnienia w cylindrze. Zwiększanie ciśnienia pozwala również na spalanie coraz uboższych mieszanek.

Rysunek Wpływ wartości współczynnika nadmiaru powietrza na współczynnik emisji zanieczyszczeń przy spalaniu gazu ziemnego w silnikach tłokowych [10]

12

2 Cel i zakres pracy

Proces spalania w silnikach gazowych jest procesem bardzo złożonym. Realizacja jego optymalizacji wymaga zidentyfikowania obecnego stanu techniki oraz określenia obszarów, na które można oddziaływać celem uzyskania oczekiwanych rezultatów.

Niniejsza praca jest zatem próbą rozwiązania problemu badawczego związanego ze zidentyfikowaniem możliwości oddziaływania na polepszenie parametrów spalania paliw w silnikach gazowych. Na podstawie zdefiniowanego obszaru badawczego sformułowano cel pracy: określenie wpływu zastosowania komory wstępnej na proces spalania w silniku gazowym.

Autor założył, że cel pracy zostanie osiągnięty poprzez realizację poniższych zadań badawczych:

1. Analiza stanu wiedzy w zakresie eksploatowanych stacjonarnych silników gazowych.

2. Analiza parametrów procesu spalania ze szczególnym uwzględnieniem własności dotyczących silników gazowych.

3. Przestawienie bieżącego stanu wiedzy na temat powstawania oraz ograniczania emisji związków toksycznych spalin powstających w wyniku spalania paliw gazowych.

4. Wykonanie obliczeń numerycznych procesu spalania dwustopniowego dla różnych konfiguracji komór wstępnych.

5. Analiza parametrów procesu spalania pod kątem zmian składu mieszanki oraz miejsca inicjacji zapłonu w komorach wstępnych w warunkach laboratoryjnych.

6. Badanie wpływu implementacji komory wstępnej w silniku gazowym na emisję toksycznych składników spalin w rzeczywistych warunkach eksploatacji.

Na podstawie analizy literatury oraz dotychczasowych prac autora rozprawy opracowano następujące tezy pracy:

1. Zastosowanie komory wstępnej daje możliwość znacznej redukcji emisji tlenku azotu w spalinach w stosunku do układu konwencjonalnego, przy zachowaniu zbliżonych wartości parametrów użytkowych silnika.

2. Ingerencja w proces spalania w komorze wstępnej ma znaczący wpływ na poprawę procesu spalania w cylindrze silnika reprezentowanego przez emisję substancji szkodliwych (NO i THC).

3. Geometria komory wstępnej (miejsce doprowadzenia iskry) ma znaczący wpływ na emisję toksycznych składników spalin.

W celu osiągnięcia celu pracy i udowodnienia założonych tez, autor opracował

spójną strukturę pracy (rys. 2.1). Po wprowadzeniu (rozdział 1), opracowano cel i zakres

pracy (rozdział 2). Następnie przedstawiono podstawy teoretyczne niezbędne do

przeprowadzenia dalszych badań (rozdziały 3 i 4). Po zaprezentowaniu części

teoretycznej, przystąpiono do realizacji obliczeń numerycznych badanych obiektów

(rozdział 5). Równolegle prowadzono badania doświadczalne na autorskim stanowisku

badawczym (rozdział 6) oraz na silniku Cooper-Bessemer GMVH wyposażonym

13 w komorę wstępną (rozdział 7). W rozdziale 8 zebrano i porównano wyniki ze wszystkich trzech źródeł oraz zaprezentowano możliwe kierunki dalszych prac.

Rysunek Struktura rozprawy

14

3 Wybrane wielkości fizyczne charakteryzujące proces spalania

3.1 Podstawowe parametry

3.1.1 Temperatura samozapłonu

Jako temperaturę samozapłonu T

nazywa się temperaturę, przy której w mieszance paliwowo-powietrznej następuje proces spalania bez konieczności dostarczania energii z zewnątrz. Osiągnięcie wymaganej wartości temperatury w celu wywołania zjawiska zapłonu można osiągną za pomocą wielu metod:

 iskra elektryczna,

 działanie otwartym płomieniem,

 oddziaływanie gorącej powierzchni,

 podgrzanie mieszaniny,

 wzrost ciśnienia skutkujący wzrostem temperatury mieszaniny (sprężanie, fala uderzeniowa).

Zjawisko samozapłonu można wyjaśnić za pomocą teorii przedstawionej przez Semenowa [25] [26]. Polega ona na graficznym przedstawieniu zmiany ciepła w funkcji czasu ukazanym na rysunku 3.1. W założeniu nieruchoma mieszanina palna jest umieszczona w naczyniu o objętości V zaś jej temperatura jest równa temperaturze T

na zewnątrz tej objętości. Dla temperatury ścianki T

krzywa 1 (q

- ciepło generowane) przecina się z krzywą 2 (q

- ciepło odbierane przez ściankę naczynia) w dwóch miejscach (A i B) oznacza to, że zapłon może nastąpić poniżej punku A i powyżej punku B, lecz pomiędzy tymi punktami wygasa. Dla temperatury ścianki T

krzywa 1 przecina się z krzywą 2 w jednym miejscu dla temperatury T

. W tym miejscu wartość q

jest większe od q

zaś produkty reakcji spalania mogą przereagować do końca. W przypadku temperatury ścianki T

ciepło odbierane przez ściankę jest mniejsze od ciepła generowanego, przez co zapłon wystąpi zawsze.

Rysunek Graficzna interpretacja teorii zapłonu q1=q2

T Ti

q

T01 T02 T03

A

B

1 2

15 Dodatkowym zobrazowaniem temperatury samozapłonu jest rysunek 3.2, który przedstawia strukturę płomienia laminarnego. Wartość temperatury zapłonu T

znajduje się w punkcie przegięcia krzywej temperatury. Przed tym punktem do mieszanki paliwowo-powietrznej dostarczana jest energia w celu jej podgrzania. Po przekroczeniu tej temperatury następuje utlenienie reszty reagentów. Na rysunku została również zaznaczona grubość płomienia δ. Jest ona wyznaczona za pomocą stycznej do punktu przegięcia krzywej temperatury, która przecina proste odpowiadające temperaturze substratów oraz produktów procesu spalania.

Rysunek Struktura płomienia laminarnego, obliczenia wykonane dla spalania czystego metanu w powietrzu, współczynnik nadmiaru powietrza λ = 1,05; temperatury substratów Tsub. = 300 K [27] [28]

Temperatura zapłonu, jako podstawowy parametr była szeroko badana od wielu lat.

Podstawowa praca Jonesa opublikowana w roku 1952 [29] opierała się na badaniach zapłonu nawet po kilku minutach. Największe badania prowadzone przez Jarosinskiego [30] oraz zespól profesora Law [31] pozwoliły określić dokładnie wartość temperatury zapłonu.

3.1.2 Adiabatyczna temperatura spalania

W literaturze [15] [32] [33] [34] [35] można znaleźć różne określenia opisujące temperaturę spalania, jednakże wśród najczęściej spotykanych są:

 adiabatyczna temperatura spalania,

 teoretyczna temperatura spalania,

 temperatura płomienia.

Przez adiabatyczną temperaturę spalania rozumie się maksymalną temperaturę całkowitego i zupełnego spalania osiągniętą bez wymiany ciepła z otoczeniem oraz bez wykonania pracy przez układ. Uzyskiwana ona jest w wyniku reakcji utleniania i zależy bezpośrednio od właściwości fizykochemicznych paliwa i utleniacza, takich jak:

 skład paliwa,

 skład utleniacza,

T1

T2

Ti

16

 temperatura i ciśnienie substratów,

 wartości współczynnika nadmiaru powietrza,

 strumień ciepła odprowadzanego z płomienia do otoczenia.

Kolejnym rodzajem temperatury z omawianych przypadków jest teoretyczna temperatura spalania. Charakteryzuje się ona tym, że w obliczeniach służących do jej wyznaczenia uwzględniana jest zmiana ciepła właściwego produktów spalania oraz dysocjacja głównych składników spalin takich, jak CO

oraz H

O będących reakcjami endotermicznymi, czyli takimi, podczas których pobierana jest energia z otoczenia.

Proces rozpadu tych składników jest ściśle uzależniony od temperatury spalania i powyżej 2000 K można zaobserwować gwałtowny wzrost ich rozpadu. W przypadku rozpadu CO

można wyodrębnić tworzenie się takich związków jak CO, O i O

zaś dla wody H

, H, OH, OH

, HO

, O

i O. Poprzez ten fakt temperatura teoretyczna spalania jest niższa od adiabatycznej temperatury spalania. Na rysunku 3.3 przedstawiono zależność wartości współczynnika dysocjacji α od temperatury dla dwutlenku węgla oraz pary wodnej. Jest on określany jako iloraz różnicy liczby substratów oraz produktów reakcji dysocjacji do liczby moli substratów tej reakcji. Obliczenia współczynnika dysocjacji można dokonać za pomocą programu STANJAN, którego mechanizm oparty jest o minimum potencjału termodynamicznego (entalpii swobodnej Gibbsa) pierwiastków [36].

Rysunek Zależność współczynnika dysocjacji α od temperatury substratów, dla CO2

i H2O [37]

Odnosząc się do powyższych informacji obliczenia teoretycznej temperatury

spalania przeprowadzane są z wykorzystaniem równań energii oraz reakcji chemicznych

dla warunków stechiometrycznych wraz z uwzględnieniem równań dysocjacji dwutlenku

węgla oraz pary wodnej (wzory (3.1) i (3.2)). Takie założenie pozwala na znaczące

zwiększenie dokładności obliczeń numerycznych. Metoda ta została zaproponowana

przez Reynoldsa.

17 𝐶𝑂

↔ 𝛼

𝑂

+ 1

2 𝛼

𝑂

+ (1 − 𝛼

)𝐶𝑂

(3.1)

𝐻

𝑂 ↔ 𝛼

𝐻

+ 1

2 𝛼

𝑂

+ (1 − 𝛼

)𝐻

𝑂 (3.2) Wyznaczanie przedstawionych temperatur spalania (adiabatycznej oraz teoretycznej) opiera się o założenie, że proces spalania przebiega przez cząstkowe procesy równowagi dla których można zdefiniować chwilową wartość zmiany potencjału termodynamicznego ΔG. W przypadku temperatury płomienia, wartości temperatur wyznaczane są na podstawie mechanizmu nierównowagi. Zakłada on, że proces spalania obejmuje tylko czas palenia się mieszanki we froncie płomienia. Reakcję spalania można opisać używając poniższych równań:

 równanie ciągłości przepływu 𝑑(𝜌𝑢)

𝑑𝑥 = 0 (3.3)

 równanie zachowania masy i-tego związku

𝜌𝑢 𝑑𝑌

𝑑𝑥 = 𝑑𝑌

𝑑𝑥 + 𝑚

(3.4)

 równanie zachowania energii (λ oznacza współczynnik przewodzenia ciepła)

𝜌𝑢𝑐

𝑑𝑇 𝑑𝑥 = 𝑑

𝑑𝑥 (𝜆 𝑑𝑇

𝑑𝑥 ) − ∑ ℎ

𝑚̇

𝑛

𝑖=1

− ∑ 𝑐

𝑗

𝑛

𝑖=1

𝑑𝑇

𝑑𝑥 (3.5)

 entalpia całkowita produktów

ℎ

(𝑇) = Δℎ

+ ∫ 𝑐

𝑑𝑇

𝑇

𝑇0

(3.6)

Wyznaczenie temperatury spalania (adiabatyczna, teoretyczna oraz płomienia) wymaka wykorzystania różnych założeń w trakcie prowadzenia obliczeń. Najwyższe wartości osiąga adiabatyczna temperatura płomienia. Jest to spowodowane adiabatycznością procesu oraz założeniem, iż produktami spalania są jedynie CO

, H

O, N

oraz O

. Wartościami niższymi będzie się charakteryzowała temperatura teoretyczna.

W jej założeniach znajdują się kolejne produkty spalania wynikające z dysocjacji dwutlenku węgla oraz pary wodnej. Najniższa wartość jest otrzymywana dla temperatury płomienia, która dodatkowo w swoich obliczeniach zakłada mechanizm nierównowagowy przebiegu procesu spalania.

Na rysunku 3.4 została przedstawiona zależność temperatury spalania od wartości

współczynnika nadmiaru powietrza λ. Można zauważyć, że maksymalna wartość

temperatury, wynosząca około 2200 K, jest osiągana dla punktu λ=1 odpowiadającemu

mieszance stechiometrycznej. Poniżej tej wartości temperatura spada w wyniku

niecałkowitego spalenia paliwa. Dla mieszanek ubogich powodem obniżenia temperatury

jest wprowadzenie nadmiarowej ilości powietrza, która odbiera ciepło podczas jej

18 podgrzania. Nie bierze ono jednak udziału w procesie spalania powodując stratę energii a w związku z tym obniżenie temperatury spalania.

Rysunek Wykres zależności temperatury spalania od wartości współczynnika nadmiaru powietrzna

3.1.3 Prędkość spalania

Prędkość spalania jest współczynnikiem określającym prędkość, z jaką porusza się front płomienia względem mieszanki palnej. Istnieją dwa zasadnicze modele: laminarny oraz turbulentny, związane z charakterem przepływu.

Jako główny mechanizm rozprzestrzeniania płomienia, uznawany jest przepływ laminarny. Jest to wynikiem faktu, iż zapłon mieszanki paliwowo-powietrznej zachodzi zawsze w warstwie laminarnej. Opisy zjawisk zachodzących w procesie spalania są oparte o modele płomienia laminarnego, którego grubość jest porównywalna do kilku średnich dróg swobodnych. Głównym parametrem opisującym płomień laminarny jest laminarna prędkość spalania S

. Opisuje ona prędkość, z jaką front płomienia rozprzestrzenia się w mieszance palnej. Wartość tej prędkości może być wyznaczona na drodze analitycznej oraz eksperymentalnej [38].

W celu analitycznego wyznaczenia laminarnej prędkości spalania można wykorzystać wiele metod. Jedną z najczęściej wykorzystywanych jest teoria Mallard’a i Le Chatelier’a [39], która obrazuje zależności pomiędzy właściwościami fizykochemicznymi paliwa oraz utleniacza. Według niej, front płomienia rozprzestrzenia się względem mieszaniny w sposób laminarny, a zatem i prędkość tego przemieszczenia jest laminarna. Na rysunku 3.2 została zaprezentowana graficzna interpretacja tego zjawiska. Ukazane są na nim dwie strefy, strefa podgrzania oraz strefa utleniania.

W strefie podgrzania następuje odbiór energii cieplnej od produktów spalania przez

mieszankę paliwowo-powietrzną o temperaturze T

. Proces ten trwa do momentu

uzyskania przez mieszankę temperatury zapłonu T

. Od tego momentu rozpoczyna się

proces spalania, w którym zachodzi dalsza reakcja utleniania. W chwili całkowitego

spalenia się mieszanki uzyskiwana jest temperatura T

będąca temperaturą spalin.

19 W trakcie procesu utleniania paliwa przekazywana jest energia cieplna, na drodze przewodzenia, do świeżej mieszanki paliwowo-powietrznej. Wartość prędkości laminarnego spalania można wyznaczyć za pomocą wzoru (3.7).

𝑆

= 𝜆

𝑐

𝜌

𝑇

−𝑇

𝑇

− 𝑇

1

𝛿

(3.7)

gdzie:

λ

– współczynnik przewodzenia mieszanki, c

– ciepło właściwe,

ρ

– gęstość,

T

– temperatura substratów, T

– temperatura produktów, T

– temperatura zapłonu, δ

– grubość strefy utleniania.

Analizując powyższy wzór należy zauważyć, że prędkość laminarnej propagacji płomienia jest ściśle powiązana z właściwościami termodynamicznymi oraz wielkością obszaru strefy utleniania, w którym następuje przyrost temperatury od T

do temperatury spalin T

. W celu jej wyznaczenia należy skorzystać z zależności (3.8), gdzie wielkość strefy utleniania zależy od prędkości S

oraz czasu reakcji.

𝛿

= 𝑆

𝜏

(3.8)

gdzie:

τ

– czas reakcji.

W celu określenia czasu reakcji należy się posłużyć zależnością pomiędzy koncentracją końcową produktów podczas całego czasu reakcji, a średnią szybkością reakcji przedstawioną zależnością (3.9).

𝜏

= 𝑐

𝑊 ̅ (3.9)

gdzie:

c

– koncentracja końcowa produktów, 𝑊 – średnia szybkość reakcji.

Koncentracja końcowa c

jest natomiast zależna od masy cząsteczkowej oraz gęstości spalin.

gdzie:

µ

– koncentracja końcowa produktów, ρ

– gęstość produktów spalania.

𝑐

= 𝜇

𝜌

(3.10)

20 Powyższe zależności uwzględniają wyrażenie na wielkość laminarnej prędkości spalania przy założeniu, że średnią prędkość przebiegu reakcji chemicznych w płomieniu 𝑊 ̅ można wyznaczyć ze wzoru zaproponowanego przez Zeldovicza (3.11).

𝑆

= √ 𝜆 𝑐

𝜌

𝑇

−𝑇

𝑇

− 𝑇

𝜇

𝜌

𝑊 ̅ (3.11)

Analiza zależności 3.11 wskazuje, że prędkość spalania mieszanki zmienia się wraz ze zmianą parametrów termodynamicznych składu samej mieszanki paliwowo- powietrznej. Wraz z podgrzaniem wstępnym mieszanki, a zarazem wzrostem temperatury T

prędkość wzrośnie. Natomiast zwiększenie ciśnienia powoduje wzrost gęstości skutkując obniżeniem wartości S

. Wzrost ilości gazów inertnych powoduje obniżenie laminarnej prędkości spalania [32]. Potwierdzenie powyższych stwierdzeń pokazano na rysunkach 3.5 i 3.6 przedstawiających wartości S

wyliczone za pomocą kodu numerycznego Cantera.

Rysunek Zależność laminarnej prędkości spalania SL od temperatury substratów oraz współczynnika nadmiaru powietrza

Rysunek Zależność laminarnej prędkości spalania SL od ciśnienia substratów oraz współczynnika nadmiaru powietrza

21 Wyznaczanie laminarnej prędkości spalania metodami analitycznymi może być jednak obarczone znacznymi błędami. W celu dokładnego wyznaczenia tej wielkości można posłużyć się metodami eksperymentalnymi. Wśród najczęściej stosowanych można wyróżnić [40] [41]:

 geometryczną (wypływ mieszanki przez dyszę ostrokrawędziową),

 stałoobjętościową (naczynie sferyczne o stałej objętości),

 stałociśnieniową (bomba stałego ciśnienia),

 metodę Heat Flux.

W Laboratorium Technologii Gazowych stosowana jest metoda geometryczna.

Polega ona na pomiarze kąta wierzchołka płomienia laminarnego. W tym celu konieczne jest zastosowanie dyszy ostrokrawędziowej przedstawionej na rysunku 3.7a. Na rysunku został przedstawiony zarys płomienia wraz z wektorami prędkości. Wektor u

przedstawia prędkość wypływu mieszanki paliwowo-powietrznej. Kąt α jest natomiast połową kąta rozwarcia stożka płomienia. Jest on wyznaczany za pomocą programu graficznego, w którym możliwy jest import zdjęcia płomienia uzyskanego na przykład za pomocą metody smugowej. Polega ona na zastosowaniu szeregu zwierciadeł oraz źródła świata. Schemat stanowiska przedstawiono na rysunku 3.8. Wiązka światła przechodząc poprzez środowisko o zmiennej gęstości (płomień) dokonuje załamania, tworząc zarys tych zmian. Na rysunku 3.7b przedstawione jest zdjęcie płomienia, wykonane za pomocą zmodyfikowanej metody smugowej.

a) b)

Rysunek Metoda wyznaczania laminarnej prędkości spalania przy użyciu dyszy ostro krawędziowej: a) schemat dyszy: u1-prędkość wypływu mieszanki z dyszy, u2-prędkość propagacji płomienia w kierunku prostopadłym do czoła płomienia;

b) zdjęcie płomienia

22

W celu wyznaczenia prędkości wypływu konieczna jest znajomość przepływu poszczególnych składników mieszanki oraz średnicy dyszy. Prędkość u

będzie w takim wypadku wynosiła:

𝑢

= (𝑉

+ 𝑉

) 𝜋 ( 𝑑

2)

2

(3.12)

gdzie:

𝑉

̇ – strumień gazu paliwowego, 𝑉

̇ – strumień powietrza,

d – średnica dyszy.

Znając prędkość wypływu mieszanki paliwowo-powietrznej oraz wartość kąta α możliwe jest obliczenie prędkości laminarnego spalania za pomocą wzoru (3.13).

𝑆

= 𝑢

sin(𝛼) (3.13)

Wartości S

otrzymane z badań eksperymentalnych ukazane na rysunku 3.9 różnią się w zależności od użytej metody. Dla λ=0,8 i 1,4 różnica ta wynosi około 20% zaś dla mieszanek stechiometrycznych 6% [38]. Wytłumaczeniem tych różnic mogą być [43]:

 wymiary geometryczne komory sferycznej,

 sposoby pomiaru ilości mieszanki w procesie napełniania komory (pomiar ciśnienia cząstkowego, pomiar za pomocą przepływomierzy masowych),

 metody oraz jakość wykonanego zdjęcia płomienia (PIV, Schlieren, Shadow oraz rozmiar pojedynczego piksela).

Źródło światła

Szczelina Pryzmat

Dysza

Filtr

Aparat

23

pomiarowymi [38]

Płomień laminarny z racji małej intensywności oddawania ciepła występuje w urządzeniach o małych mocach np. palnikach inżektorowych kotłów domowych.

W celu lepszego wykorzystania energii cieplnej, konieczne jest wprowadzenie intensyfikacji przepływu, co prowadzi do wystąpienia płomienia turbulentnego pozwalającego na zmniejszenie urządzeń. Przykładami takich urządzeń mogą być palnik turbin gazowych i dużych kotłów grzewczych, oraz silniki spalinowe, w których ruch tłoka wprowadza ruch turbulentny ładunku wewnątrz cylindra. W tych przypadkach proces przemieszczania się płomienia opisuje turbulentna prędkość spalania.

Pierwszą teorią opisującą płomień turbulentny było uzależnienie szybkości reakcji spalania od zwiększenia pofałdowania czoła płomienia, co zostało przedstawione przez Damköhlera [44]. Według tej teorii turbulentna prędkość spalania jest sumą laminarnej prędkości spalania powiększoną o średnią kwadratową wartości fluktuacji prędkości (3.14).

𝑆

= 𝑆

+ 𝑢′ (3.14)

gdzie:

S

– laminarna prędkość spalania,

u’ – kwadratową wartości fluktuacji prędkości.

W przypadku wzrostu prędkości człon u’ staje się dominującym i równanie można sprowadzić do postaci (3.15).

𝑆

~𝑢′ (3.15)

24 Analizując powyższy wzór można stwierdzić, że turbulentna prędkość spalania jest w niewielkim stopniu zależna od składu oraz parametrów termodynamicznych spalanej mieszanki. Oznacza to, że turbulentna prędkość spalania w niewielkim stopniu zależy od rodzaju gazu i wartości współczynnika nadmiaru powietrza.

Inną zależność pomiędzy prędkością laminarną, a poziomem turbulencji przedstawili Ballal i Lefebvre [45]. Wprowadza ona cztery obszary turbulentnego spalania (przedstawionymi w tabeli 3.1) rozgraniczone parametrami u

/S

oraz η/S

. W zależności od przypisanej klasyfikacji turbulencji występuje inny kształt frontu płomienia.

W powyższych kryteriach η oznacza mikroskalę turbulencji Kołomogorowa, liczoną z według (3.16).

𝜂 = 𝐿

𝜈

𝑢′

(3.16)

gdzie:

L – całkowa skala turbulencji w kierunku poprzecznym do przepływu, ν – lepkość kinematyczna,

u’ – kwadratowa wartości fluktuacji prędkości.

Tabela 3.1. Podział obszarów turbulencji spalania

Lp. Nazwa obszaru u`/SL δL/η Kształt frontu płomienia

I Niskiej turbulencji <1 <1

II Średniej turbulencji >1 <1

III Wysokiej turbulencji >>1 >1

IV Płomień rozproszony >1 >1

3.1.4 Kąt wyprzedzenia zapłonu

Proces spalania w silniku spalinowym można podzielić na trzy etapy. Pierwszym jest moment wystąpienia iskry zapłonowej przedstawiony na rysunku 3.10 jako punkt 1.

Trwa on do punktu 2, w którym następuje gwałtowny wzrost ciśnienia spowodowany zapłonem mieszanki paliwowo-powietrznej. W czasie pomiędzy punktami 2 i 3 następuje drugi etap spalania, czyli propagacja płomienia wewnątrz objętości komory spalania.

Maksymalne ciśnienie jest osiągane w punkcie 3. Trzeci etap spalania to dopalenie paliwa

w suwie pracy.

25

Aby proces spalania w silniku spalinowym był przeprowadzony w efektywny sposób punkt 3, znajdujący się na krzywej ciśnienia spalania powinien wystąpić tuż za górnym martwym punktem tłoka (GMP). W tym celu stosowane jest wyprzedzenie zapłonu wyrażone w kątach obrotu wału korbowego. Zbyt wczesny kąt zapłonu skutkuje osiągnięciem maksymalnego ciśnienia spalania przed GMP, powodując straty energii podczas ruchu tłoka ku górze. W skrajnych sytuacjach możliwe jest zatrzymanie się tłoka oraz uszkodzenie elementów silnika. Zbyt późny zapłon skutkuje przesunięciem się procesu spalania w suw rozprężania obniżając sprawność poprzez spadek ciśnienia oraz zwiększającą się powierzchnię wymiany ciepła [46]. Przykładowe wykresy przebiegu ciśnień zostały przedstawione na rysunku 3.11.

Rysunek Przebieg spalania w silniku spalinowym przy różnych kątach wyprzedzenia zapłonu [46]

26 Wartość kąta wyprzedzenia zapłonu jest ściśle powiązana z prędkością spalania użytej mieszanki paliwowo-powietrznej. Wraz z jej spadkiem konieczne jest zwiększenie wyprzedzenia zapłonu, aby osiągnąć maksymalne ciśnienie w optymalnym punkcie. Jak przedstawiono w rozdziale 3.1.3 wartość S

jest zależna od takich wartości jak: ciśnienie, współczynnik nadmiaru powietrza czy temperatura. W związku z tym konieczne jest bieżące kontrolowanie powyższych parametrów. Dodatkowo istotnym parametrem jest prędkość obrotowa wału korbowego. Wraz z jej wzrostem zmniejsza się czas trwania cyklu pracy cylindra, przez co zapłon musi wystąpić wcześniej. Dla standardowych rozwiązań możliwe jest uzależnienie kąta wyprzedzenia zapłonu od ciśnienia w układzie dolotowym, sygnalizującym o obciążeniu silnika oraz od prędkości obrotowej wału korbowego.

3.2 Parametry charakterystyczne dla procesu spalania w silniku gazowym

3.2.1 Współczynnik nadmiaru powietrza

Współczynnik nadmiaru powietrza λ wyznacza stosunek rzeczywistej ilości dostarczonego powietrza do wartości teoretycznej wynikającej z równań stechiometrycznych. Równanie (3.17) przedstawia reakcję spalania metanu przy udziale tlenu.

𝐶𝐻

+ 2𝑂

→ 𝐶𝑂

+ 2𝐻

𝑂 (3.17)

Można z niego odczytać, że wymaganą ilością tlenu do spalenia jednego mola metanu są dwa mole tlenu. W warunkach rzeczywistych do procesu spalania używane jest powietrze, którego skład jest ściśle określony i przyjęty na poziomie N

=79% oraz O

=20,9%. Resztę składu stanowią inne gazy takie jak dwutlenek węgla czy argon.

W związku z tym równanie spalania metanu przy założonym udziale powietrza przyjmie postać (3.18).

𝐶𝐻

+ 2(𝑂

+ 3,76𝑁

) → 𝐶𝑂

+ 2𝐻

𝑂 + 7,52𝑁

(3.18) Na podstawie równania (3.18) można stwierdzić, że do spalenia jednego mola metanu wymagane jest 9,52 mola powietrza. Znając rzeczywistą ilość powietrza dostarczoną do procesu spalania można wyznaczyć wartość współczynnika λ za pomocą równania (3.19).

𝜆 = 𝐿

𝐿

(3.19)

gdzie:

L

– aktualna ilość powietrza,

L

– stechiometryczna ilość powietrza.

Powyższy wzór może być zastosowany jedynie w przypadku, kiedy zmierzona

została ilość dostarczonego powietrza np. za pomocą gazomierza, kryzy pomiarowej lub

27 przepływomierzy, które są względnie tanie w instalacji. Niestety mogą być one obarczone znacznym błędem pomiarowym. W przypadku konieczności dokładnego określenia współczynnika λ bardziej dokładnym rozwiązaniem jest jego wyznaczenie na podstawie analizy składu spalin. Znając ilość tlenu w spalinach można określić współczynnik nadmiaru powietrza za pomocą wzoru (3.20).

𝜆 = 21

21 − 𝑂

(3.20)

gdzie:

O

– ilość tlenu w spalinach [%].

W przypadku znajomości ilości dwutlenku węgla można skorzystać z wzoru (3.21).

W tym przypadku konieczna jest znajomość składu paliwa w celu wyznaczenia maksymalnej ilości dwutlenku w spalinach.

𝜆 = [𝐶𝑂

]

[𝐶𝑂

] (3.21)

gdzie:

[CO

]

– maksymalna ilość CO

w spalinach dla danego paliwa, [CO

] – ilość dwutlenku węgla w spalinach.

Na podstawie wartości współczynnika nadmiaru powietrza, możliwe jest określenie typu mieszanki. Mieszanka palna jest bogata jeżeli λ<1, stechiometryczna gdy λ jest równy jedności oraz uboga jeżeli λ>1.

W zależności od wartości współczynnika nadmiaru powietrza zmianie może ulec szereg parametrów opisujących proces spalania, takich jak: adiabatyczna temperatura spalania, laminarna prędkość spalania, grubość płomienia, emisja związków toksycznych.

3.2.2 Energia zapłonu

Jak wspomniano w punkcie 3.1.1 w celu wystąpienia zapłonu mieszanki paliwowo- powietrznej konieczne jest doprowadzenie do niej energii cieplnej. Dzięki temu mieszanka zostaje podgrzana to temperatury samozapłonu T

, po przekroczeniu której możliwy jest proces utleniania składników paliwa. Doprowadzenie wymaganej energii może nastąpić za pośrednictwem dwóch mechanizmów: chemiczno-dyfuzyjnego (opartego o działanie rodników) oraz termicznego [47].

Szeroko stosowany zapłon termiczny polega na dostarczeniu energii cieplnej w ilości wystarczającej do podgrzania mieszaniny do temperatury zapłonu. Można wyodrębnić trzy typy tego mechanizmu.

Pierwszym z mechanizmów jest mechanizm Jost określający moment rozpoczęcia

zapłonu od chwili, w której ilość energii traconej przez mieszankę jest równa ilości

energii dostarczonej z reakcji chemicznej.

28 Drugim jest mechanizm Zeldovicha, w którym do zapłonu dochodzi w momencie, kiedy czas ochłodzenia podgrzewanej mieszanki jest większy od czasu reakcji utleniania w warstwie frontu płomienia.

Ostatnia mechanizm został zaproponowany przez Lewia oraz von Elbe. Według autorów zapłon mieszanki wystąpi, gdy zostanie dostarczona ilość ciepła wystarczająca do podgrzania warstwy mieszanki o grubości frontu płomienia do jego temperatury.

Według tego modelu minimalna ilość energii potrzebnej do wystąpienia zapłonu jest określona równaniem (3.22).

𝐻 = 𝐴𝛿𝜌

𝑐

(𝑇

− 𝑇

) (3.22)

gdzie:

A – przekrój poprzeczny podgrzewanej warstwy,



– gęstość mieszanki,

c

– ciepło właściwe mieszanki,

T

– adiabatyczna temperatura płomienia, T

– temperatura mieszanki,

 – grubość płomienia laminarnego.

Energia cieplna wymagana do inicjacji zapłonu może być dostarczona poprzez:

 gorącą ścianęą,

 przyrost ciśnienia,

 płomień,

 iskrę elektryczną.

Najbardziej rozpowszechnioną metodą inicjacji zapłonu w silnikach gazowych jest iskra elektryczna. Układ zapłonowy oparty o iskrę zapłonową stanowi kompaktowe rozwiązanie. Zastosowanie cewek zapłonowych redukuje konieczność prowadzenia przewodów prądowych o dużych średnicach na znaczne odległości, dzięki czemu straty przesyłu energii elektrycznej są niskie. Zapłon za pomocą iskry można opisać za pomocą trzech faz przedstawionych przez Maly oraz Vogel [48]:

W pierwszej fazie mieszanina paliwowo powietrzna otaczająca elektrodę stanowi warstwę izolującą. W momencie gwałtownego przyrostu różnicy napięcia na elektrodach (10-100 kW/ms) elektrony w pobliżu elektrod uzyskują przyspieszenie w kierunku jednej z nich. Poprzez wysokie pole elektryczne oraz prędkość przemieszczających się elektronów możliwe jest zjonizowanie cząstek gazu stykających się z nimi.

Druga faza występuje w momencie wytworzenia odpowiedniej ilości elektronów

pozwalającej na nadmierny wzrost prądu rozładowania, który może osiągnąć natężenie

równe 100 A w trakcie kilku nanosekund. Zjawisko to jest powiązanie ze spadkiem

różnicy napięcia oraz pola elektrycznego odpowiednio do 100 V oraz 1 kV/cm. Według

Maly’a w celu wystąpienia tej fazy w warunkach otoczenia to około 3 mJ. W wyniku

wystąpienia przepływu prądu generowana jest wysoka temperatura sięgająca 60000 K,

której nagły przyrost generuje wzrost ciśnienia do kilkuset bar. W ten sposób generowana

jest fala uderzeniowa rozchodzącą się w prędkością dźwięku. W trakcie trwania fazy

29 drugiej energia potencjalna zamieniana jest na energię cieplną i jest ona zakończona tworzeniem się łuku elektrycznego.

Trzecią fazą jest rozładowanie za pomocą łuku elektrycznego. Przebiega ono przy napięciu około 100 V, zaś natężenie jest większe od 100 mA. Wytworzenie łuku ma negatywny wpływ na elektrodę, która zostaje poddana procesowi erozji. Sprawność przekazania energii cieplnej w tej fazie waha się pomiędzy 10-50% w zależności od panujących warunków.

W przypadku silnika spalinowego można założyć, że prędkość przepływu mieszanki przez elektrody świecy zapłonowej jest stała, dzięki czemu zjawisko inicjacji zapłonu można przedstawić za pomocą rysunku 3.12. Według tego schematu mieszanka rozpoczyna przepływ poprzez elektrody, których odległość względem siebie wynosi s w czasie t=0. Przepływająca mieszanka powoduje rozciągnięcie iskry, która przyjmuje kształt litery U. Wraz z upływem czasu odległość przesunięcia iskry zostaje zwiększona do ντ. Wynikiem tego, jako powierzchnię wymiany ciepła można przyjąć pionowy odcinek iskry, w którym to możliwe jest oddanie największej ilości ciepła do mieszanki.

Rysunek Model odkształcenia iskry podczas przepływu mieszanki [29]

Ilość oddanej energii można ustalić za pomocą równania (3.23).

𝐻

= 𝐻𝑠

2𝑣𝜏 𝑙𝑛 2𝑣𝜏 + 𝑠

𝑠 (3.23)

gdzie:

H – minimalna energia zapłonu, υ – prędkość przepływu mieszanki, τ – czas,

s – odległość pomiędzy elektrodami.

30

4 Emisja związków toksycznych w procesie spalania paliw w silnikach gazowych

4.1 Powstawanie związków toksycznych podczas spalania mieszanek ubogich

4.1.1 Tlenki azotu

Azot, jako główny składnik powietrza, uważany jest za gaz neutralny. Jednak przebieg procesu spalania powoduje wywołanie reakcji azotu z tlenem, tworząc toksyczne tlenki azotu NO

. Wśród wspomnianych tlenków najliczniej występującym jest tlenek azotu NO (>95% emisji) [10] [49]. W grupie NO

wyróżnić ponadto można tlenek diazotu N

O, tritlenek diazotu N

O

, dwutlenek azotu NO

, pentatlenek diazotu N

O

, tritlenek azotu NO

oraz heksatlenek diazotu, N

O

. Około 60% globalnej emisji NO

pochodzi ze źródeł antropogenicznych, z czego połowa generowana jest w sektorze transportu oraz przemysłu [10]. Normy emisji tlenków azotu dla silników i turbin gazowych zostały przedstawione w tabeli 4.1 [50].

Tabela 4.1. Normy emisji dla silników i turbin gazowych [mg/Nm³] [50]

- Zanieczyszczenie

Rodzaj średniego

obiektu energetycznego

spalania

Olej napędowy

Paliwa ciekłe inne niż

olej napędowy

Gaz ziemny

Paliwa gazowe inne niż gaz ziemny

Istniejące obiekty

SO2

Silniki i turbiny

gazowe — 120 — 15

NOx

Silniki 190 190 190 190

Turbiny gazowe 200 200 150 200

Pył Silniki i turbiny

gazowe — 10 (18) — —

Nowe obiekty

SO2

Silniki i turbiny

gazowe — 120 — 15

NOx

Silniki 190 190 190 190

Turbiny gazowe 200 200 150 200

Pył Silniki i turbiny

gazowe — 10 — —

W przypadku emisji przemysłowej, występują znaczne różnice w wartości

wskaźników emisji NO

dla kotłów węglowych i gazowych (tab. 4.2). Zauważyć można

zdecydowanie niższe wartości wskaźników dla spalania gazu, w porównaniu z efektami

procesu spalania węgla. Dzieje się tak, ponieważ powstawaniu NO w komorze spalania,

oprócz wysokiej temperatury, sprzyja również nadmiar powietrza, a ten jest większy

31 w przypadku spalania paliw stałych [51]. Duże znaczenie dla emisji NO ma również konstrukcja paleniska.

Tabela 4.2. Wskaźniki emisji tlenków azotu (w przeliczeniu na NO2) z procesów spalania węgla kamiennego (27 430 kJ/kg) oraz gazu ziemnego (37 260 kJ/m³) [10]

Emisja NOx z procesu spalania węgla kamiennego

Emisja NOx z procesu spalania wysokometanowego gazu ziemnego Rodzaj kotła

Wskaźniki emisji [g/GJ]

Moc kotła

Wskaźniki emisji [g/GJ]

Proces bez kontroli NOX

Proces z kontrolą NOX

Kotły z paleniskami

rusztowymi (bez redukcji NOX

w spalinach)

125-230

<30MW 35-60 7-35

Kotły z paleniskami pyłowymi

(bez redukcji NOX w spalinach) 240-560

Kotły fluidalne 62-250 >30 MW 240 20-35

Ze względu na metodę powstawania wyróżnia się cztery podstawowe mechanizmy [32]:

 termiczny Zeldowicza – tlenek azotu powstaje poprzez utlenianie azotu znajdującego się w otaczającej atmosferze na skutek wysokich temperatur w strefie reakcji,

 szybki NO – nazywany też mechanizmem Fenimore’a – tlenek azotu tworzy się wskutek reakcji azotu zawartego w powietrzu z węglowodorami w czole płomienia,

 reakcja podtlenku azotu N

O,

 mechanizm paliwowy – tworzenie NO oparte o azot wbudowany w cząsteczki paliw (ang. fuel NO).

W procesach spalania paliw gazowych w silnikach gazowych głównym mechanizmem tworzenia się tlenku azotu jest mechanizm termiczny. Zgodnie z teorią Zeldowicza, szybkość tworzenia się NO zależy od maksymalnej temperatury w strefie reakcji oraz stężeniem tlenu i azotu w spalinach, a nie zależy ona od właściwości chemicznych paliwa [49]. Mechanizm termiczny zakłada powstawanie NO na drodze trzech reakcji (4.1) c (4.3)

𝑂 + 𝑁

→ 𝑁𝑂 + 𝑁

𝑁 + 𝑂

→ 𝑁𝑂 + 𝑂

𝑁 + 𝑂𝐻 → 𝑁𝑂 + 𝐻

Warunkiem koniecznym rozpoczęcia reakcji (4.1) oraz (4.2) jest powstanie tlenu atomowego w wyniku zderzenia cząsteczki tlenu z molekułą o odpowiedniej energii aktywacji według reakcji (4.4).

𝑂

+ 𝑀 → 2𝑂 + 𝑀

32 Proces rozpadu tlenu oraz azotu został przedstawiony za pomocą równań (4.5) oraz (4.6). Uwzględniono w nich stopnie rozpadu α oraz β, których wartości są zależne od temperatury reagentów. Na rysunku 4.1 przedstawiono zależność współczynników rozpadu dla tlenu oraz azotu w funkcji ich temperatury [52]. Intensyfikacja rozpadu cząsteczek tlenu oraz azotu rozpoczyna się od temperatury 1500 K. W tym czasie otrzymany tlen atomowy łączy się z azotem cząsteczkowym według reakcji (4.1).

W wyniku reakcji otrzymywany zostaje tlenek azotu oraz azot atomowy, który łączy się z tlenem cząsteczkowym według reakcji (4.2). Wynikiem jest tlenek azotu oraz tlen atomowy mogący wziąć udział w dalszych reakcjach. Poniżej temperatury 1500 K rozpad cząsteczek N

oraz O

nie zachodzi, w konsekwencji czego emisja NO nie ma miejsca.

𝑂

→ 𝛼(2𝑂) + (1 − 𝛼)𝑂

𝑁

→ 𝛽(2𝑁) + (1 − 𝛽)𝑁

Rysunek Zależność dysocjacji tlenu i azotu od temperatury reagentów [52]

Jako uzupełnienie reakcji (4.1) oraz (4.2) uważany jest mechanizm tworzenia się tlenków azotu w wyniku łączenia się azotu atomowego z rodnikami OH według reakcji (4.3). Rodniki te są produktem utleniania węglowodorów zaś ich ilość jest zależna od składu mieszanki paliwowo-powietrznej. Wyższa koncentracja rodników OH uzyskiwana jest przy spalaniu mieszanek o wartości λ<1. Atomowy azot biorący udział w tym mechanizmie pochodzi z reakcji (4.1), zależnej od temperatury reagentów.

Z powyższych informacji można stwierdzić, iż spalanie mieszanek ubogich w silnikach gazowych ma znaczący wpływ na redukcję emisji tlenków azotu poprzez rozrzedzenie mieszanki paliwowo-powietrznej oraz obniżenie temperatury spalania.

Mechanizm szybki obejmuje reakcje zachodzące bezpośrednio przed płomieniem lub samym jego czole gdzie znajduje się duża koncentracja pośrednich produktów utleniania. Inicjacją tworzenia się tlenków azotu jest reakcja rodników węglowodorowych CH wraz z azotem ((4.7) i (4.8)) w wyniku, której tworzy się cyjanowodór HCN.

𝐶𝐻 + 𝑁

→ 𝐻𝐶𝑁 + 𝑁