Teoria wykorzystania energii odpadowej

Z E S Z Y T Y N A U K O W E P O L I T E C H N I K I Ś L Ą S K I E J

S e r i a : E N E R G E T Y K A z. 106 Nr kol. 9 9 8

_______ 1989

Oan S Z A R G U T J o a c h i m K O Z I O Ł E u g e n i u s z M A 3 Z A

I n st y t u t T e c h n i k i Ci e pln ej P o l i t e c h n i k i śl ąs k ie j

T E O R I A W Y K O R Z Y S T A N I A E N E RG II 0 D P A C 0 W E 3

S t r e s z c z e n i e . Z d e f i n i o w a n o z a s ob y e n er g i i o d pa do w ej w skali za- k ł a du p r z e m y s ł o w e g o i w s k a l i kraju. P r z e d s t a w i o n o me to d ę p r z e w i d y ­ w a n i a e f e k t ó w w y k o r z y s t a n i a f i zy c zn e j e n e r g i i o d p a do we j spalin w r e k u p e r a t o r a c h , za p o mo cą r ó w n a ń c h a r a k t e r y s t y k i energetycznej p i e ca i p r z e z p o r ó w n a n i e b i l a n s ó w energii.. Om ó w i o n o rekuperację f i ­ z y c zn ą p rz y sta łe j i z mi e n n e j J a k oś c i p a li wa oraz rekuperację c h e ­ mi cz ną. P r z e d s t a w i o n o ef e k t y w y k o r z y s t a n i a e n t a l p i i fizycznej s p a ­ lin w k o n w e k c y j n y c h k o m o r a c h s t r u m i e n i o w y c h . N a ś w i e t l o n o efekty a u t o n o m i c z n e g o p o d g r z e w a n i a s u b s t r a t ó w s p a l a n i a p rz y stałym i zmien­

ny m s k ł a d z i e p ali wa. O m ó w i o n o e f ek ty d z i a ł a n i a ko tł ó w odzyskowych i i n s t a l a c j i c h ł o d z e n i a w y p a r k o w e g o . P r z e d y s k u t o w a n o problemy w y k o ­ r z y s t a n i a e n t a l p i i f i zy cz n ej s t a ł y c h i c i e k ł y c h pro du kt ów oraz e f e k t y d z i a ł a n i a tur bi n r o z p r ę ż n y c h w y k o r z y s t u j ą c y c h podwyższone c i ś n i e n i e ga z u w i e l k o p i e c o w e g o .

W y k o r z y s t a n i e e n e r g i i o d p a d o w e j jest je dn y m z p o d s t a w o w y c h sposobów r a c j o n a l i z a c j i g o s p o d a r k i e n e r g e t y c z n e j . C e l e m w y k o r z y s t a n i a energii o d ­ p a d o we j jest o s z c z ę d n o ś ć pal iw. K o n s e k w e n c j ę z m n i e j s z e n i a zużycia e n e r ­ gii c h e m i c z n e j p a l i w jest r ó w n i e ż o g r a n i c z e n i e o d p r o w a d z e n i a do o t o c z e ­ n ia s z k o d l i w y c h p r o d u k t ó w s p a la ni a . Czę st o w y k o r z y s t a n i e energii o d p a d o ­ wej p o z w a l a p o n a d t o na u z y s k i w a n i e e f e k t ó w d o d a t k o w y c h taki ch jak:

- z w i ę k s z e n i e w y d a j n o ś c i urz ąd ze ń,

- p o p r a w a t e c h n o l o g i c z n y c h w a r u n k ó w pro du k cj i ,

- m o ż l i w o ś ć w y k o r z y s t a n i a g o r s z y c h j a k o ś c i o w o su row ców , - p o p r a w a j a k o ś c i w y t w o r z o n y c h p r o du kt ó w.

W y k o r z y s t a n i e e n e r g i i o d p a d o w e j w y m a g a n a k ł a d ó w inwesty cyj nyc h. Podej m o w a n i e d e c y z j i i n w e s t y c y j n y c h p o w i n n o by ć p o p r z e d z o n e a n a li zą t e c h n i c z ­ n o - e k o n o m i c z n ą , a w s z c z e g ó l n o ś c i o ce ną z a s o b ó w en er gi i odpadowej.

78 3. Szargut, 3. Kozioł, E. Majza

1. Z A S O B Y E N E RG II O 0 P A D O W E 3

P r z e z z as o b y e n e r g i i o d p a d o w e j n a le ż y r o z u m i e ć e k o n o m i c z n i e u z a s a d n i o ­ ną i lo ść e n e r g i i c h e m i c z n e j p a l i w - A E ^ , jaką m o ż n a z a o s z c z ę d z i ć p r z ez w y k o r z y s t a n i e e n e r g i i o d p a d o w e j prz y u w z g l ę d n i e n i u t e c h n i c z n y c h m o ż l i w o ­ ści i p o t r z e b w y s t ę p u j ą c y c h w d a n y m z a k ła dz i e.

O c e n ę z a s o b ó w e n e r g i i o d p a d o w e j m o ż n a p r z e p r o w a d z i ć w o d n i e s i e n i u do o s z c z ę d n o ś c i p a l i w w d a n y m z a k ł a d z i e ( - A E c ^) lub w s k a li całej g o s p o d a r ­ ki nar dowej ( - A E * ^ ) . W p i e r w s z y m p r z y p a d k u u w z g l ę d n i a s i ę t y lk o s p r a w ­ ność e n e r g e t y c z n ą u r z ą d z e ń d z i a ł a j ą c y c h w d a n y m z ak ł a d z i e . W d r u g i m p r z y ­ p a dk u o s z c z ę d n o ś ć p a l i w o b l i c z a s i ę przy u w z g l ę d n i e n i u s k u m u l o w a n e j s p r a w ­ n o śc i e n e r g e t y c z n e j p o z y s k i w a n i a n o ś n i k ó w e n e r g i i ^ [?]• S p r a w n o ś c i te p o d a n o w ta b li c y i. S p r a w n o ś ć rl* jest m n i e j s z a od j e d n o ś c i i d l a t e g o o s z c z ę d n o ś ć e n e r g i i c h e m i c z n e j u z y s k i w a n a w s k al i g o s p o d a r k i k r a ju jest n i e r a z z n a c z n i e w i ę k s z a od o s z c z ę d n o ś c i ( - A E ^ ) uz y s k i w a n e j b e z p o ś r e d n i o w a n a l i z o w a n y m p r o c e s i e :

‘ A E ch ’ k f ( _ A E c h ) (1)

T a b l i c a 1

S k u m u l o w a n a s p r a w n o ś ć e n e r g e t y c z n a p o z y s k i w a n i a n o ś n i k ó w e n e r g i i

W y s z c z e g ó l n i e n i e S k u m u l o w a n a s p r a w n o ś ć p o z y s k a n i a

W ę g i e l ka mi e n n y 0 , 9 4

W ę g i e l b r u n a t n y 0 , 9 2

Kok s hu tn i cz y 0 , 7 8

Koks po g a z o w y 0, 71

Gaz k o k s o w n i c z y 0 , 7 8

Gaz w i e l k o p i e c o w y 0 , 7 0

Ga z z i e m n y w y s o k o m e t a n o w y 0 , 9 8

Gaz z ie m n y z a a z o t o w a n y 0 , 9 7

Olej op ał ow y 0 , 8 1

E n e r g i a e l e k t r y c z n a 0 , 2 5

2. W Y K O R Z Y S T A N I E F I Z Y C Z N E 3 E N E R G I I 0 D F A D 0 W E 3 S P A L I N W R E K U P E R A T O R A C H

O s z c z ę d n o ś ć p a l i w a mo żl i w ą do u z y s k a n i a w p i e c u g r z e j n y m o k r e ś l a si ę z a z w y c z a j p r z e z p o r ó w n a n i e b i l a n s ó w e n e r g i i p i e c a w w a r u n k a c h s t o s o w a n i a r e k u p e r a c j i or az w p r o c e s i e bezrekuperacyjriym. P o r ó w n a n i e t a ki e p o wi n n o

Teoria wykorzystania energii odpadowej 79

się p r z e p r o w a d z i ć p rz y j e d n a k o w y c h e f e k t a c h u ż y t e c z n y c h p i e c a (np. w y d a j ­ no ści ci e p l n e j , r o d z a j u w s a d u itp.). W y m a g a n a jest p o n a d t o z n a j o m o ś ć w p ł y ­ wu z m i a n w a r u n k ó w e k s p l o a t a c j i na t e m p e r a t u r ę s p a l i n o d p ł y w a j ą c y c h z k o ­ mory pi ec a . W p ł y w ten m o ż n a w y z n a c z y ć za p o mo c ą c h a r a k t e r y s t y k i e n e r g e ­ t yc zn ej pie ca. P r ze d p r z y s t ą p i e n i e m do w y k o r z y s t a n i a e ne r g i i odp ad o we j s p a l i n p o w i n n o si ę z a p e w n i ć t e c h n i c z n i e u z a s a d n i o n e w a r u n k i e k s p l o a t a c j i pieca, tzn. d o s t a t e c z n ą s z c z e l n o ś ć k o m o ry s p a l a n i a o r a z k a n a ł ó w s p a l i n o ­ wy ch , jak r ó w n i e ż s t o s o w a n i e o p t y m a l n e g o n a d m i a r u p o w i e t r z a do sp al nia .

2.1 . C h a r a k t e r y s t y k a e n e r g e t y c z n a pi ec a

C h a r a k t e r y s t y k a e n e r g e t y c z n a p i e ca u jm u j e z a l e ż n o ś ć s t r u m i e n i a s p a l a ­ n e g o p a l i w a o r a z t e m p e r a t u r y s p a l i n o d p ł y w a j ą c y c h Z p i ec a od taki ch w i e l ­ k oś ci jak: w y d a j n o ś ć pieca, t e m p e r a t u r y p o d g r z a n i a s u b s t r a t ó w pr o c e s u spa­

lania, w a r t o ś ć o p a ł o w a pal iwa, t e m p e r a t u r y w s a d u p r ze d i po jeg o n a g r z a ­ ni u w piec u, s t o s u n e k n a d m i a r u p o w i e t r z a itp.

P r o c e s y p r z e b i e g a j ą c e w p i e c u g r z e j n y m n a j d o k ł a d n i e j o p i s u j e c h a r a k t e ­ r y s t y k a w y z n a c z o n a m et o d ą t e o r e t y c z n o - s t a t y s t y c z n ę . O g ól ną p o st a ć równa ń c h a r a k t e r y s t y k i u z y s k u j e s i ę na p o d s t a w i e u p r o s z c z o n e j a n a l i z y t e o r e t y c z ­ nej z j a w i s k z a c h o d z ą c y c h w piecu. R ó w n a n i a te o p r ó c z z m i e n n y c h pa ram etr ów e k s p l o a t a c j i z a w i e r a j ą s t a ł e w s p ó ł c z y n n i k i , k t ó ry ch w a r t o ś ć o k r e ś l a się m e t o d a m i s t a t y s t y c z n y m i . W y k o r z y s t u j e s i ę prz y tym p o m i a r y p r z e p ro wa d zo ne w u s t a l o n y c h w a r u n k a c h pr acy pieca.

P r z y k ł a d o w e r ó w n a n i a c h a r a k t e r y s t y k i e n e r g e t y c z n e j d w u s t r e f o w e g o p i e ­ ca g r z e j n e g o m a j ą p o s t a ć [l] :

(2)

+ — + PS

(3)

g d z i e :

T wd' Tww "

S P

w y d a j n o ś ć c i e p l n a pieca,

s t r u m i e ń s p a l a n e g o paliwa,

t e m p e r a t u r a s p a l i n o d p ł y w a j ą c y c h z k o mo r y pieca,

t e m p e r a t u r a w s a d u p r ze d i po n a g r z e w a n i u w piecu,

w a r t o ś ć o p a ł o w a paliwa,

ś r e d ni a p o j e m n o ś ć c i e p l n a s pal in, w z a k r e s i e od temper atu ry o t o c z e n i a T t do T g , o d n i e s i o n a do j ed n o s t k i paliwa.

80 3. Szargut, 3. Kozioł, E. Majza

A T

- c i e p ł o r e k u p e r a c j i o d n i e s i o n e do j e d n o s t k i paliwa ,

a-j - s t a ł e w s p ó ł c z y n n i k i w r ó w n a n i u c h a r a k t e r y s t y k i e n e r g e ­ tyczn ej ,

- n a d w y ż k a t e m p e r a t u r y l i c z o n a od t e m p e r a t u r y o t o c z e n i a .

W y z n a c z e n i e dl a p o s z c z e g ó l n y c h p i e c ó w s z c z e g ó ł o w e j t e o r e t y c z n o - s t a t y - s t y c z n y c h c h a r a k t e r y s t y k e n e r g e t y c z n y c h w y m a g a d u ż e g o n a k ł a d u pra cy. D l a ­ tego w o b l i c z e n i a c h t e c h n i c z n y c h c z ę s t o s t o s u j e s i ę u p r o s z c z o n ę p o s t a ć

R ó ż n i c e p o j e m n o ś c i c i e p l n y c h s t r u m i e n i w y b i j a n y c h s p a l i n o r a z p o w i e ­ t r z a s z k o d l i w e g o w n i k a j ę c e g o do k o mo ry s p a l a n i a są w p r z y b l i ż e n i u s t ał e:

P o n a d t o przy n i e w i e l k i c h z m i a n a c h p a r a m e t r ó w e k s p l o a t a c y j n y c h p i e c a w a r -

s t y c z n y m i . W s k a ź n i k w y z n a c z a si ę na to m i a s t O p i e r a j ę c s i ę na j e d n o ­ r a z o w y m p o m i a r z e [2] .

I n d e k s e m "0" o z n a c z o n o w r ó w n a n i a c h (5), (7) p a r a m e t r y o d p o w i a d a j ę c e s t a n o w i p o c z ą t k o w e m u p r z e d u d o s k o n a l e n i e m . Z a z w y c z a j prz y o c e n i e w p ł y w u r e k u p e r a c j i na p r a c ę p i e c a sta n p o c z ą t k o w y c h a r a k t e r y z u j e s i ę n i ż s z y m p o z i o m e m r e k u p e r a c j i . W p r z y p a d k u g r a n i c z n y m p r z y j m u j e s i ę q R Q = 0.

S y m b o l e bez i n d e k s u " 0 ” d o t y c z ę s ta n u po u s p r a w n i e n i u ,

Do w y z n a c z e n i a w s k a ź n i k a X r o z k ł a d u t e m p e r a t u r y w p i e c u m o ż n a r ó w n i e ż w y k o r z y s t a ć t e m p e r a t u r ę s p a l i n o b l i c z o n ą ze s z c z e g ó ł o w e j chrakterystyk'1

tej c h a r a k t e r y s t y k i [2 ]:

(4)

A T s “ A T S 0 - ( X - ‘ ^ c h - A W ł - Q u żO > (5)

g d zi e

(

)

g d z i e :

T ^ - t e m p e r a t u r a c h a r a k t e r y s t y c z n a p r o c e s u s p a l a n i a p al iwa ,

t i - w s k a ź n i k z w i ę k s z e n i a p o j e m n o ś c i c ie p ln ej s p a l i n u w z g l ę d n i a j ą c y w n i k a n i e p o w i e t r z a s z k o d l i w e g o o r a z w y b i j a n i e s p a l i n 8 ,

X , X - w s k a ź n i k i r o z k ł a d u t e m p e r a t u r y s p a l i n w piec u,

-ow “ ^ r u m i e ń c i e pł a t r a c o n e g o do o t o c z e n i a i w o d y ch ło d z ą c e j ,

I - e n t a l p i a s t r u m i e n i a s p a l i n w y b i j a n y c h z pie ca.

(7)

t o śc i l i c z b o w e X f ^ m o ż n a u w a ż a ć za s t a ł e i w y z n a c z a ć m e t o d a m i s t a t y -

Teoria wykorzystania energii odpadowej SI

e n e r g e t y c z n e j p ie ca (3). M o ż l i w a jest w t e d y o ce na w p ł y w u w a r u n k ó w eksplo­

at a cj i na w a r t o ś ć w s k a ź n i k a (rys. 1). 2 d o ś w i a d c z e ń u z y s k a n y c h przy rayzna-

Rys. 1. W p ł y w w a r u n k ó w e k s p l o a t a c j i na w a r t o ś ć w s k a ź n i k a % w przykłado­

w y m p i e c u g rz e j n y m

Fig. 1. I n f l u e n c e of the e x p l o i t a t i o n c on d i t i o n s on the v a l u e of the in­

de x X in a h e a t i n g fu r n a c e (ex ample)

cz en i u w s k a ź n i k a w y n i k a j ę n a s t ę p u j ą c e s p o s t r z e ż e n i a :

- W s k a ź n i k i X z a l e ż ę od typ u pieca. W p r z y p a d k u p i e c ó w k om o r o w y c h war­

t o ś c i X s ą z b l i ż o n e do j e dn o śc i. Dla p i e c ó w o d z i a ł a n i u cię g ły m X p o ­ w i n n o b y ć . w i ę k s z e od je dn oś c i.

- I st o t n y w p ł y w na w a r t o ś ć w s k a ź n i k a X ma n i e s z c z e l n o ś ć pieca. Zasysanie p o w i e t r z a s z k o d l i w e g o s p r z y j a w y s t ę p o w a n i u X < 1. W y b i j a n i u spalin z p i e c a o d p o w i a d a z w i ę k s z e n i e w a r t o ś c i X .

- P r z y c z y n ę u z y s k i w a n i a w n i e k t ó r y c h p i e c a c h w a r t o ś c i X < 1 sg nie tylko w a r u n k i e k s p l o a t a c j i , al e r ó w n o c z e ś n i e zbyt m a ła d ł u g o ś ć tr zo nu w sto­

s un ku do u z y s k i w a n e j w y d a j n o ś c i lub zł e r o z m i e s z c z e n i e palników.

2.2. W s k a ź n i k i u ż y t e c z n o ś c i r e k u p e r a c j i

Przy z a ł o ż e n i u s t a ł e j w y d a j n o ś c i c ie pl n ej p ie c a po u w z g l ę d n i e n i u za­

l e ż n o ś c i (7) u z y s k u j e s i ę riastępujęce ró wn a n i e b i l a n s u en e rg ii dla komory p i e c a p r z e d o ra z po z m i a n i e z a k r e s u re ku p e r a c j i :

2.0

V^: 220MJ/kmol A W 1 1 0 0 K ATwd=9S0K

1.0

025 0.5 025 _ 1.0 }25MW

Wydajność cieplna pieca Q«i

( 8 )

(

)

(

)

82

Z r ó w n a ń (1) i (2) w y n i k a :

,vd ♦ qR - s a t

0. S z a r g u t , O. Kozioł, E. Majza

w (;Vd 1 W d0

1 +

IV . X n - ę A T ' 1 1 /

g d z ie :

^ R “ q R q R0

Z a l a ż n o ś ć m i ę d z y t e m p e r a t u r a m i T s 1 T s 0 m o ż n a w y z n a c z y ć z r ó w n a n i a (5).

Pr zy o c e n i e w p ł y w u r e k u p e r a c j i na z u ż y c i e p a l i w a w p i ec u pr zy r ó w n o ­ c ze sn ej z m i a n i e j eg o j a k o ś c i z w y k ł o si ę s t o s o w a ć w s k a ź n i k w z g l ę d n e j o s z c z ę d n o ś c i e n e r g i i c h e m i c z n e j pa l i w a :

P „ W - P W . IV .

to = - 2 - 4 2 --- 1 - i - (1 - W ) - 2 - (12)

P0 VVd0 d0

M i a rę e f e k t y w n o ś c i r e k u p e r a c j i jest s t o s u n e k z a o s z c z ę d z o n e j e n e r g i i ( - A E h ) do p r z y r o s t u c i e p ł a p r z e k a z a n e g o w rekupera.torze A Q R . S t os u n e k ten n a z w a n o m n o ż n i k i e m o s z c z ę d n o ś c i e n e r g i i c h e m i c z n e j :

u co W dQ w d f l 3 .

E ~ A Ó A Q R E A q R _ W q R " ^ “ R R E ^ A d E A q R - i - — _ w q

qR0

M n o ż n i k o s z c z ę d n o ś c i e n e r g i i c h e m i c z n e j jest z w y k l e w y r a ź n i e w i ę k s z y od j e d no ś ci .

2.3. S z c z e g ó l n e p r z y p a d k i r e k u p e r a c j i

2 . 3 .1 . R e k u p e r a c j a f i z y c z n a p r z y s t a ł e j

j a k o ś c i p a l i w a

Dl a sta łe j j a k o ś c i p a l i w a (kVd = W d Q ) z r ó w n a ń (5), (11) i (12) u z y s k u ­ je się:

[ X + * 0 ( X - 1}] A q R , t

co = to = —_______- _________ -_____H--- (1 4 ) E W d + q R 0 + ^ A q R “ E sO

Ze w z o r u (13) w y n i k a :

______ 'Vd [ X ^ 0(X-_i)]_______________

^ E wd - (j£ - 1 )q R0 - - 1 + A q R ) - SATg0 ⁽¹⁵⁾

Teoria w y k o r z y s t a n i a energii odpadowaj 83

2 . 3 . 2 . R e k u p e r a c j a c h e m i c z n a

P o d w y ż s z o n ę t e m p e r a t u r ę o d p ł y w a j ą c y c h s p a l i n lub i n n y c h p r o d u k t ó w ga­

z o w y c h m o ż n a w y k o r z y s t a ć do z w i ę k s z e n i a e n t a l p i i c h e m i c z n e j p a l i w a , przez z r e a l i z o w a n i e r e a k c j i e n d o t e r m i c z n y c h m i ę d z y s k ł a d n i k a m i p a l i w a i HgO lub C 0 2 a l b o p r z e z k a t a l i t y c z n e r o z ł o ż e n i e p a l iw a. O p i s a n y p r o c e s nazwano r e k u p e r a c j ę c b e m i c z n ę . N a s t ę p u j ę c e t y p o w e r e a k c j e e n d o t e r m i c z n e możnej wy­

k o r z y s t a ć do r e k u p e r a c j i c h e m i c z n e j :

W s z y s t k i e w ę g l o w o d o r y m o g ę r e a g o w a ć p o d o b n i e do d w u p i e r w s z y c h reakcji.

R e k u p e r a c j a c h e m i c z n a z w i ę k s z a p o z o r n ę p o j e m n o ś ć c i e p l n ę p ali wa, umoż­

l i w i a w i ę c z w i ę k s z e n i e c i e p ł a r e k u p e r a c j i b e z p o d w y ż s z e n i a t e m p e r a t u r y p o d g r z a n e g o pa li wa . O e ż e l i na p r z y k ł a d pi ec p r z e m y s ł o w y z a s i l a n y gazem z i e m n y m w y s o k o m e t a n o w y m jest z a o p a t r z o n y w r e g e n e r a t o r y , w k t ó r y c h p o d ­ g r z e w a s i ę p o w i e t r z e i p a l i w o do t e m p e r a t u r y 1 4 0 0 K, to c i e p ł o pochłonię-r te p r z e z p o w i e t r z e w y n o s i 3 6 9 M O / k m o l C H 4 i c i e p ł o p o c h ł o n i ę t e p r z e z pa­

l i w o 7 0 , 6 H O / k m o l CH^. W p r o w a d z e n i e r e k u p e r a c j i c h e m i c z n e j p o z w a l a zwięk­

s z y ć c i e p ł o p o c h ł o n i ę t e p r z e z p a l i w o do 34 2 M O / k m o l | c H 4 [5].'

E n d o t e r m i c z n a r e a k c j a w ę g l o w o d o r ó w z C O g (a w p e w n y c h z a k r e s a c h tempe­

r a t u r y r ó w n i e ż z Hg O) m o ż e p r o w a d z i ć do n i e p o ż ę d a n e g o p o w s t a w a n i a sadzy.

Na rys. 2 p r z e d s t a w i o n o s k ł a d r ó w n o w a g o w y p r o d u k t ó w dl a r e a k c j i m e t a n u z H „ 0 i C 0 2 w p r o p o r c j i 1:1,. D u ż y jes t z a k r e s w y s t ę p o w a n i a s a d z y s z c z e ­ g ó l n i e p r z y r e a k c j i z C02 . P o w s t a w a n i e s a d z y m o ż n a o g r a n i c z y ć p r z e z wpro-

P r z y w y z n a c z e n i u e f e k t u e n e r g e t y c z n e g o r e k u p e r a c j i c h e m i c z n e j należy u w z g l ę d n i ć z w i ę k s z e n i e p o j e m n o ś c i c i e p l n e j s p a l i n na j e d n o s t k ę p a l i w a w y j ś c i o w e g o o r a z p r z y r o s t c i e p ł a r e k u p e r a c j i u z y s k a n y d z i ę k i r e k u p er a cj i c h e m i c z n e j . W r ó w n a n i a c h (5), (6) i (11) n a l e ż y w z w i ę z k u z tym p o d s t a ­ w i ć :

S. = SQ + A S

g d z i e :

A q R - p r z y r o s t c i e p ł a r e k u p e r a c j i d z i ę k i r e k u p e r a c j i c h e m i c z n e j ,

A s

C H 4 + H 2 0 -— > C 0 + 3 H,

C H 4 + C 0 2 -- > 2 C O + 2 Hg

C K 3 0 H ( 1 ) + H2 0 ( g ) — » C 0 2 + 3 Hg

c h3o h( U — » C O + 2 h2

A l n = 2 0 6 , 1 M O / k m o l C H 4>

A l n = 2 4 7 , 3 M O / k m o l C H 4 ,

A l n = 8 7 , 0 M O / k m o l C H 3 0H,

A l n = 1 2 8 , 2 M O / k m o l CHjOH.

w a d z e n i e n a d m i a r u HgO [5],

q R = q R0 + A q R

84 O. S z a r g u t , 3. Kozioł, E. Majza

Q) IkmolCH^

P=

r

Mkmol Hp

Pn /

/ 3 _

V /

\ j/ /

CS.-"'

y

b). IkmolO P r

♦ IkmdCCt

= Pn

/ f TV

/& / ' /

/ / 1

/ / Np / !

/ /

\ \

\ / ' /

\ 1

/ V

H X

< S*> / \

✓ / V

s j N\ c

600 800 <000 <200 <400

TK

Rys. 2. R ó w n o w a g o w y s k ł a d p r o d u k t ó w k o n w e r s j i m e t a n u parg w o d n g (a) i t l o n k i e m w ę g l a (by

Fig. 2. E q u i l i b r i u m c o m p o s i t i o n of the p r o d u c t s of m e t h a n e c o n v e r s i o n m e a n s of w a t e r s t e a m an d COp

dwu-

by

Teoria w ykorzystania energii odpadowej 85

Z r ó w n a n i a (11) u z y s k u j e si ę w t e d y :

W q « * S0 fl + y 0 }(TsG - T s : - A S A T s - W d + q R0 + A q R - (SQ + A S ! A T 3

R ó w n o c z e ś n i e z r ów n a n i a (5) o t r z y m u j e się:

- r T ( X , y A q R S0 ~ A s ^~'o + q R 0 -' , ,

's " sO “ l* “ i) 50 (S0 + A 3 ) ( '

2. 3. 3 . R e k u p e r a c j a f i z y c z n o p r z y

z m i e n n e j ' j a k o ś c i p a l i w a

O s ż e l i pi ec jest z a s i l a n y m i e s z a n k ę d r o g i e g o p a li w a bo ga t e g o i taniego p a l i w a u bo g ie go , to d z i ę k i r e k u p e r a ć j i m o ż n a z w i ę k s z y ć u d z i a ł paliwa u b o ­ g i e go w m i e s z a n c e i u z y s k a ć w to n s p o s ó b z m n i e j s z e n i e k o sz t ó w eksploata­

cji pieca. W y s t ę p u j ę w tym p r z y p a d k u przy stał ej w y d a j n o ś c i p iec a dwa n i e z a l e ż n e p a r a m e t r y : p o w i e r z c h n i a r e k u p e r a t o r a i u d z i a ł pa li w a bogatego w m i e s z a n c e . M o żn a w i ę c r o z p a t r y w a ć r ó ż ne w a ri an t y.

O e że l i ze w z g l ę d ó w t e c h n o l o g i c z n y c h w y m a g a n a jest s t a ła temperatura s p a l a n i a (z c ze go w y n i k a w y m a g a n i e sta łe j t e m pe ra t ur y s p a l i n przy odpły­

w i e z k o mo ry s p a l a n i a ) , to łęcz na o s z c z ę d n o ś ć e n e r g i i ch em i c z n e j paliw jest r ów na zeru. O s z c z ę d n o ś ć p a l i w a b o g a t e g o u z y s k u j e s i ę ko sz te m zwięk­

s z o n e g o z u ż y c i a p a l i w a ubo gi e g o. Ef ekt ten m oż na w y r a z i ć za pom oc ę mnoż­

n i k ó w o s z c z ę d n o ś c i e n e r g i i c h e m i c z n e j /!..^ p a l i w a b o g a t e g o i p a l i ­ wa u b og i eg o:

- A P . IV,

^ “ 1 - ^ b (1C)

■ Vib S u

g d z i e :

W u< U’b - w a r t o ś ć o p a ł o w a pa l i w a u b o g i e g o i b oga teg o,

S u , S b - p o j e m n o ś ć c i e pl na s p a l i n na j e d n o s t k ę pa l i w a u b o g i e g o i b o g a ­ tego, dla z a k r e s u od te m p e r a t u r y o t o c z e n i a do k a l o r y m e t r y c z ­ nej t e m p e r a t u r y s p a la n ia .

O s z c z ę d n o ś ć e n e r g i i c he m i c z n e j p a li wa b o g a t e g o m o ż n a o k r e ś l i ć wzorem:

S r0 - r

cu = _______J i_________ — _____ (19)

b S u + r i S b - S u' r0

g d z i e :

u d z i a ł m o l ow y p a li w a b o g a t e g o w mi es z a n c e , dla p r o c e s u począt­

kowe go ( p o r ó w n a w c z e g o ) i u d o s k o n a l o n e g o .

86 3. S z a r g u t , 3. Kozioł, E. Majza

Z a l e ż n o ś ć m i ę d z y u d z i a ł a m i i r w y n i k a z w y m a g a n i a s t a ł e j k a l o r y ­ m e t r y c z n e j t e m p e r a t u r y s p a l a n i a :

CfO - r ^ vb s u - W u V

— V — r - r— n r — i- r * '~ = a „ a t a + G „ A T r +

su + r 0 tob Su ' u A u G

+ r f A b - Au)ATa + (Gfa - Gu)ATg (20)

g d z i e :

A u .Gu . A^, G^ - p o j e m n o ś ć c i e p l n a p o w i e t r z a ji p a l i w a na j e d n o s t k ę p a ­ l i w a u b o g i e g o i bo g a t e g o ,

A T a , A T g - p r z y r o s t t e m p e r a t u r y p o w i e t r z a i p a l i w a w r e k u p e r a t o -

W c e l u w y z n a c z e n i a w s k a ź n i k a n a l e ż y z r ó w n a ń (19 ) i (20) w y e l i m i ­ n o w a ć w i e l k o ś ć rQ l ub r.

Ilożna r o z p a t r y w a ć w p ł y w r ó w n o c z e s n e j z m i a n y p o w i e r z c h n i r e k u p e r a t o r a i s k ł a d u p a l i w a [ l l ] . O t r z y m u j e s i ę n a s t ę p u j ę c e w z o r y na w z g l ę d n ę o s z c z ę d ­ n o ś ć p a l i w a b o g a t e g o i u b o g i e g o :

- A P . _ - A P .

w b c 1 “ 1 -

7-

~p

P b0 0 u uO 1 r 0

g d z i e :

U = P / Pq - s t o s u n e k z u ż y c i a p a l i w a w p r o c e s i e u d o s k o n a l o n y m i p o r ó w ­ na wc z y m .

Z p o r ó w n a n i a b i l a n s ó w e n e r g i i k o m o r y p i e c a p r z y s t a ł e j w y d a j n o ś c i i p r z y p o d g r z e w a n i u t y l k o p o w i e t r z a o t r z y m u j e s i ę :

v , W + rAW + (A + rA A )A T

n _ q v -1 u_____________ u m

y0 “ 0 H 3 x S u + rA S

U = X + r A X + ( A u + r A A ) A T A ( 2 2 'i

g d z i e :

A Y B Y b ' Y u iY = A - S * x ><

X = W - S A T *

A T X - | [ A T S0 + ^ c h o ]

* 0 “ I {W0 + < R 0 - S0 [A T s0 + - 1 V c h o ] }

Teoria w y ko rz y s t a n i a energii odpadowej 87

Wzory od (4) do (22) m o ż n a w y k o r z y s t a ć do p r z e w i d y w a n i a e f e k t ó w zai nsta­

lo wania r e k u p s r a t o r a i do o p t y m a l n e g o d o b o r u w i e l k o ś c i jeg o powier zch ni [5, ll] .

prz y d o b o r z e o p t y m a l n e j w i e l k o ś c i r e k u p e r a t o r a i s t o t n e znaczenia m a j a o g r a n i c z e n i a l o k a l i z a c y j n e i o g r a n i c z e n i a s t ra t c i ś n i e n i a (ze względu na o g r a n i c z o n y c i ą g k o m i n o w y ) [2 ].

3. W Y K O R Z Y S T A N I E F I Z Y C Z N E J E N E R G I I O D P A D O W E 0 S P A L I N W K O M O R A C H S T R U M I E N I O W Y C H

V¥ p i e c u g r z e j n y m o d z i a ł a n i u c i ą g ł y m w y k o r z y s t u j e s i ę w znacznym s t o p ­ niu z a s a d ę p r z e c i w p r ą d u s p a l i n i m a t e r i a ł u p o d g r z e w a n e g o . Obniżenie t e m ­ p e r a t u r y s p a l i n w y l o t o w y c h p r z e z z w i ę k s z e n i e d ł u g o ś c i p i e c a ni e jest e k o ­ n o m i c z n i e u z a s a d n i o n e ze w z g l ę d u na m a ł ą w a r t o ś ć k o n w e k c y j n e g o w s pó ł cz y n­

nika w n i k a n i a c i e p ł a w c a ł y m p i e c u i m a ł ę i n t e n s y w n o ś ć p r z e p ł y w u ciepła p r z e z p r o m i e n i o w a n i e w s t r e f i e o b n i ż o n e j t e m p e r a t u r y s p a l in . Dlatego w o s t a t n i c h l a t a c h o b s e r w u j e s i ę t e n d e n c j e w y p o s a ż a n i a . p i e c ó w w d oda tko ­ wą k o n w e k c y j n ą k o m o r ę s t r u m i e n i o w ą s ł u ż ą c ą do w s t ę p n e g o po dgrzewania w s a ­ du za p o m o c ą s t r u g s p a l i n w y p ł y w a j ą c y c h z d ys z ze z w i ę k s z o n ą prędkością.

Z a s t o s o w a n i e k o m o r y s t r u m i e n i o w e j jest j ed ną z m o ż l i w o ś c i w y k o r z ys ta n ia b e z p o ś r e d n i o w p i e c u e n e r g i i o d p a d o w e j , z a w a r t e j w s p a l i n a c h za r ek upe ra- torem.

Z i m n y w s a d jest p o d g r z e w a n y w k o m o r z e s t r u m i e n i o w e j za pom oc ą spalin, z a s y s a n y c h p r z e z w e n t y l a t o r z k a n a ł u s p a l i n o w e g o za z e s p o ł e m re kup era to- rów. S p a l i n y są t ł o c z o n e do d y s z k o m o r y s t r u m i e n i o w e j . Na rysunku 3 p r z e d ­ s t a w i o n o s c h e m a t w s p ó ł p r a c y k o m o r y s t r u m i e n i o w e j z p i e c e m grzejnym.

P r z e w i d y w a n ą o s z c z ę d n o ś ć p a l i w a prz y s t a ł e j w y d a j n o ś c i u k ła du p ie c- k o- m o r a s t r u m i e n i o w a d o g o d n i e jest o k r e ś l i ć za p o m o c ą w s k a ź n i k a względnej o s z c z ę d n o ś c i p a l i w a w g r ó w n a n i a (10), g d z i e Pq o z n a c z a s tr u mi eń p a l i w a z u ż y w a n e g o w p i e c u b e z k o m o r y s t r u m i e n i o w e j , P z aś s t r u m i e ń paliwa z u ­ ż y w a n e g o w p i e c u z ko m o r ą .

B a d a n i a s y m u l a c y j n e w p ł y w u k o m o r y s t r u m i e n i o w e j na z u ż y c i e paliwa w y ­ k o n a n o d l a p i e c a d w u s t r e f o w e g o . W o b l i c z e n i a c h w y k o r z y s t a n o równania c h a r a k t e r y s t y k i e n e r g e t y c z n e j p i e c a o r a z r ó w n a n i a b i l a n s u ene rgii i p r z e ­ p ł y w u c i e p ł a dl a u k ł a d u r e k u p e r a t o r ó w . O t r z y m u j e si ę o s t a t e c z n i e ró wn a n i e u w i k ł a n e A T g = A T g (co, P^), g d z i e A T g o z n a c z a t e m p e r a t u r ę spalin za p i e c e m z k o m o r ą s t r u m i e n i o w ą , z a ś P^ o d p o w i e d n i o s t r u m i e ń paliwa z a s i ­ l a j ą c e g o s t r e f ę g r z e w c z ą pi ec a . S t r u m i e ń p a l i w a z a s i l a j ą c e g o piec o b l i c z a s i ę z r ó w n a n i a :

P = P Q (1 - co) ■ (23)

88 O. Szargut, a. Kozioł, E. ¡'¡ajza

Fig. 3. S c h e m e of the c o m p l e x of h e a t i n g f u r n a c e an d c o n v e c t i v e s t r e a m c h am b e r

przy czy m dl a p i ec a dwustrefotvego :

P = \ * P2 (24)

g d z i e P 2 o z n a c z a s t r u m i e ń p a l i w a z a s i l a j ą c e g o s t r e f ę w y r ó w n a w c z ą pieca.

Dla o c e ny w p ł y w u p a r a m e t r ó w g e o m e t r y c z n y c h k om o r y s t r u m i e n i o w e j na w s k a ź ­ nik co w z g l ę d n e j o s z c z ę d n o ś c i p a l i w a w y k o r z y s t a n o m o d e l m a t e m a t y c z n y

d z i a ł a n i a k o mo r y s t r u m i e n i o w e j [9 ]. W ta b l i c y 2 z e s t a w i o n o w y n i k i o b l i ­ c z e ń dl a w y b r a n e g o d w u s t r e f o w e g o p i ec a p r z e p y c h o w e g o prz y P ^ / P p = 2.6.

T a b l i c a 2

Wyniki, o b l i c z e ń s y m u l a c y j n y c h dla w y b r a n e g o p i ec a p r z e p y c h o w e g o

D ł u g o ś ć kom o ry s t r u m i e n i o w e j

1, m

W s k a ź n i k o s z c z ę d ­ n o ś c i p a l iw a

w . %

T e m p e r a t u r a p o d g r z a ­ nia w s a d u w ko m o r z e

st r u m i e n i o w e j T wd' K

T e m p e r a t u r a s p a ­ lin za r e k u p e r a - t o r em p o w i e t r z a

T kd' K

0, 8 2,9 35 0 632

1,6 CO 1 392 6 2 5

2, 4 6 ,1 422 621

3 ,2 7,1 4 45 619

4 7 , 7 458 61 8

4, 8 8,2 469 6 1 7

5,6 8,6 47 9 616

Teoria wykorzystania energii odpadowej 89

4. Z A S T O S O W A N I E E N E R G I I C H E M I C Z N E 3 G A Z Ó W O D L O T O W Y C H D O A U T O N O M I C Z N E G O P O D G R Z E W A N I A S U B S T R A T Ó W S P A L A N I A

Ga zy o d l o t o w e z a w i e r a j ą c e s k ł a d n i k i p a l n e m o ż n a w y k o r z y s t a ć jako s a m o ­ d z i e l n e pa l iw o, j e ż e l i w a r t o ś ć o p a l o w a p r z e k r a c z a 7 0 M J/ km ol. Paliwo t a ­ kie p o w i n n o być w y k o r z y s t a n e w p r o c e s a c h t e c h n o l o g i c z n y c h . Ni e wykorzy­

s t a n e ga zy o d l o t o w e z a w i e r a j ą c e s k ł a d n i k i p a l n e są u c i ą ż l i w y m produktem o d p a d o w y m . Ze w z g l ę d ó w e k o l o g i c z n y c h po wi n n y b o w i e m być s p a l o n e przed o d p r o w a d z e n i e m do o t o c z e n i a . Przy n i e w i e l k i e j w a r t o ś c i o pa ł o w e j gazów o d ­ l o t o w y c h k o n i e c z n e jest p r z e d s p a l e n i e m w z b o g a c e n i e ich lub podgrzanie s u b s t r a t ó w s p a l a n i a do s t o s u n k o w o w y s o k i e j t e m p e r a t u r y ( > 5 0 0 ° C ) .

Z p o w y ż s z y c h w z g l ę d ó w u ż y t e c z n e w y k o r z y s t a n i e n a d m i a r o w y c h ilości g a ­ z ó w o d l o t o w y c h jest z a z w y c z a j p r z e d s i ę w z i ę c i e m e f e k t y w n y m . Z aró wno bo wi em n a k ł a d y i n w e s t y c y j n e jak r ó w n i e ż kos z ty e k s p l o a t a c y j n e na le ż y określać j a k o r ó ż n i c ę o d p o w i e d n i c h w i e l k o ś c i z w i ą z a n y c h z w y k o r z y s t a n i e m gazów o r a z n i e z b ę d n y c h do i ch b e z p r o d u k t y w n e g o s p al e n i a . K o r z y s t n y m sposobem w y k o r z y s t a n i a g a z ó w o d l o t o w y c h jest ich z a s t o s o w a n i e do autonomic zne go p o d g r z a n i a s u b s t r a t ó w s p a l a n i a (rys. 4). U r z ą d z e n i e m g ł ó w n y m zasilanym z a u t o m a t y c z n e g o p o d g r z e w a c z a m oż e być k o c i o ł pa ro wy , n a g r z e w n i c a dmu chu w i e l k o p i e c o w e g o , pi ec g r z e j n y ltp.

Spaliny

Paliwo do urządzenia

głównego Powietrze

Palnik

| Spaliny

*J Palnik —

Podgrzewacz Urządzenie autonomiczny główne

Powietrze

Rys. 4. S c h e m a t z a i n s t a l o w a n i a a u t o n o m i c z n e g o p o d g r z e w a c z a subs tra tów sp a­

lania

Fig. 4. S c h e m e of the i n s t a l l a t i o n of a u t o n o m o u s pr e h e a t e r of combustion r ea ct a nt s

90 0. Szargut, 3. Kozioł, E. Majza

4.1, A u t o n o m i c z n e p o d g r z e w a n i a s u b s t r a t ó w p r z y s t a ł e j l a k o ś c l p a l i w a z a s i l a j ą c e g o u r z ą d z e n i a g ł ó w n e

Przy w y z n a c z a n i u e f e k t ó w e ne rg ety czn yct i p o d g r z e w a n i a a u t o n o m i c z n e g o , j e ż e l i u r z ą d z e n i e g ł ó w n e jest z a s i l a n e p a l i w e m o s t a ł e j j a k o ś c i , m o ż n a z a s t o s o w a ć m n o ż n i k o s z c z ę d n o ś c i e n e r g i i c h e m i c z n e j o k r e ś l o n y w z o r e m (13). I l o ś ć A Qr c i e p ł a p r z e k a z a n e g o w a u t o n o m i c z n y m p o d g r z e w a c z u jest m n i e j s z a o d i l o ś c i z u ż y t e j w n i m e n e r g i i c h e m i c z n e j p a l i wa .

S t r u m i e ń z a o s z c z ę d z o n e j e n e r g i i c h e m i c z n e j z a l e ż y od p o c z ą t k o w e g o z a ­ g o s p o d a r o w a n i a g a z u o d l o t o w e g o :

a) Dl a g a z u o d l o t o w e g o s p a l a n e g o d o t y c h c z a s w p o c h o d n i z d o d a t k o w y m w p r o ­ w a d z e n i e m p a l i w a b o g a t e g o do p a l n i k ó w d o p a l a j ą c y c h o s z c z ę d n o ś ć e n e r g i i c h e m i c z n e j o k r e ś l a w z ó r :

- A P W d = ¿0 *0 ^ 3 + 2 m i n > + ^ w ^ S a " <2 5 >

g d z i e :

P 0 V ^wW w ” strumie|!| e n e r g i i c h e m i c z n e j g a z u o d l o t o w e g o o r a z g az u w z b o g a c a j ą c e g o pr z y s p a l a n i u w a u t o n o m i c z n y m p o d g r z e - w a r z u ,

Z m i n “ ^ i n i n e l n y w z g l ę d n y s t r u m i e ń e n e r g i i c h e m i c z n e j p a l i w a w z b o g a c a j ą c e g o gaz o d l o t o w y , n i e z b ę d n y do s p a l a n i a w p o c h o d n i j e d n o s t k i g a z u o d l o t o w e g o ,

? Ea - s p r a w n o ś ć e n e r g e t y c z n a a u t o n o m i c z n e g o p o d g r z e w a c z a .

b) Dl a g a z u o d l o t o w e g o s p a l a n e g o w w y b r a n y m u r z ą d z e n i u p r z y j e g o w z b o g a ­ c e n i u w p r o c e s i e s p a l a n i a w a u t o n o m i c z n y m p o d g r z e w a c z u :

- A P W d . P 0 W 0 [(1 + - ^ 2 1 - | ] (2 5.)

g d z i e :

%, - s t o s u n e k e n e r g i i c h e m i c z n e j p a l i w a w z b o g a c a j ą c e g o do e n e r g i i c h e m i c z n e j g a z u o d l o t o w e g o ,

^ E o d ' ^ E " s P r a w n o ś ć e n e r g e t y c z n a u r z ą d z e n i a z a s i l a n e g o p a l i w e m o d ­ p a d o w y m i s p r a w n o ś ć e n e r g e t y c z n a t o g o s a m e g o u r z ą d z e n i a p r z y z a s i l a n i u p a l i w e m n i e o d p a d o w y m .

4.2. A u t o n o m i c z n e p o d g r z e w a n i e s u b s t r a t ó w s p a l a n i a

p r z y z m i e n n e j j a k o ś c i p a l i w a z a s i l a j ą c e g o u r z ą d z e n i e g ł ó w n e

D e ż e l i u r z ą d z e n i e g ł ó w n e jea t z a s i l a n e m i e s z a n i n ę p a l i w a b o g a t e g o o r a z u b o g i e g o , to a u t o n o m i c z n e p o d g r z e w a n i e s u b s t r a t ó w s p a l a n i a u m o ż l i w i a o s z c z ę d n o ś ć p a l i w a b o g a t e g o pr zy z a c h o w a n i u w t y m u r z ą d z e n i u s t a ł e j tern-

T eoria w y k o r z y s t a n i a ener g ii odpadowej 91

p e r a t u r y s p a l a n i a . W ty m p r z y p a d k u s t o s u j e s i ę m n o ż n i k o s z c z ę d n o ś c i pali ­ w a b o g a t e g o w y r a ż o n y w z o r e m (18). P r z y k ł a d o w y w p ł y w aut on om ic zn e go p o d g r z a n i a s u b s t r a t ó w na o s z c z ę d n o ś ć p a l i w a b o g a t e g o p o k a z a n o na rys. 5.

Rys. 5, W p ł y w a u t o n o m i c z n e g o p o d g r z e w a n i a s u b s t r a t ó w na o s z c z ę d n o ś ć p a l i ­ w a b o g a t e g o

Fi g. 5. I n f l u e n c e of th e a u t o n o m o u s p r e h e a t i n g of c o m b u s t i o n reactionts on t h e e c o n o m y of ri c h fuel

Ze w z o r u (13) w y n i k a , że jes t z a w s z e z n a c z n i e w i ę k s z e od jedności i m o ż e w y n o s i ć np. 3.3. O z n a c z a to, ż e u z y s k u j e s i ę tu p o z o r n i e para­

d o k s a l n y e f e k t . O s z c z ę d n o ś ć p a l i w a b o g a t e g o jes t b o w i e m d u ż o wi ęks za od i l o ś c i c i e p ł a p r z e k a z a n e g o w p o d g r z e w a c z u a u t o n o m i c z n y m . Na 10 0 jednostek p r z e k a z a n e g o c i e p ł a u z y s k u j e s i ę w u r z ę d z e n i u g ł ó w n y m o s z c z ę d n o ś ć 330 j e d n o s t e k e n e r g i i p a l i w a b o g a t e g o . N a s t ę p u j e to k o s z t e m z w i ę k s z e n i a z u ż y ­ c ia p a l i w a u b o g i e g o o 2 3 0 j e d n o s t e k . Z u ż y c i e e n e r g i i w p o d g r z e w a c z u , pr zy t?.. = 0 , 7, w y n i o s ł o b y ~ 1 4 0 j e d n o s t e k . G d y b y w i ę c nawet z a s t o s o w a n o pali- w o b o g a t e do z a s i l a n i a p o d g r z e w a c z a , a n i e n a d m i a r o w e gaz y odl ot ow e, z a ­ p e w n i ł o b y to o s z c z ę d n o ś ć p a l i w a b o g a t e g o w c a ł y m ukł ad zi e .

5. W Y K O R Z Y S T A N I E F I Z Y C Z N E 3 E N E R G I I O D P A D O W E 3 S P A L I N

W K O T Ł A C H O D Z Y S K O W Y C H I I N S T A L A C 3 A C H C H Ł O D Z E N I A W Y P A R K O W E G O

N i e w y k o r z y s t a n a do c e l ó w r e k u p e r a c j i ( r e g e n e r a c j i ) e n t a l p i a fizyczna s p a l i n m o ż e b y ć u ż y t e c z n i e z a g o s p o d a r o w a n a w k o t ł a c h o d z y s k o w y c h do pr o­

d u k c j i p a r y lub g o r ę c e j w od y, T e m p e r e t u r a s p a l i n w y l o t o w y c h z kotłów o d z y s k o w y c h w y n o s i o k o ł o 2 0 0 ° C , a w n a j n o w s z y c h r o z w i ę z a n i a c h C B K K T a r ­ n o w s k i e G ó r y ( p o d g r z e w a c z w o d y z ru r s t a l o w y c h z n a ł o ż o n y m i kos zu l ka mi a l u m i n i o w y m i w y p r o f i l o w a n y m i w ż e b r a n a w i j a n a ) n a we t 15 0° C . Z a s t o s o w a n i e

Podgrzewacz

autonomiczny Straty

< 3 * w podgrzewaczu

92 J. S z a r g u t . 3. Kozioł, E. Hajza

c h ł o d z e n i a z o d p a r o w a n i e m w m i e j s c e c h ł o d z e n i a w o d n e g o p i e c ó w p r z e m y s ł o ­ w y c h s t a n o w i d o d a t k o w e ź r ó d ł o pary.

W i e l k o ś ć p r o d u k c j i pary w k o t ł a c h o d z y s k o w y c h i i n s t a l a c j a c h c h ł o d z e ­ n i a w y p a r k o w e g o jest n a r z u c o n a p r ze z re żim p r acy p i e ca p r z e m y s ł o w e g o , co m o ż e p r o w a d z i ć do o k r e s o w y c h n a d m i a r ó w i n i e d o b o r ó w pracy z u r z ą d z e ń o d ­ z y s k o w y c h . M o żn a z w i ę k s z y ć e f e k t y w n o ś ć w y k o r z y s t a n i a pary z u r z ą d z e ń o d z y s k o w y c h p r z e z jej z a g o s p o d a r o w a n i e w m i e j s k i m s y s t e m i e c i e p ł o w n i c z y m , s z c z e g ó l n i e dla d u ż y c h a g l o m e r a c j i m i e j s k o - p r z e m y s - o w y c h . S c h ł o d z e n i e s p a l i n k ot le o d z y s k o w y m u m o ż l i w i a z a s t o s o w a n i e u r z ą d z e ń o d p y l a j ą c y c h . Sa m k o c i o ł o d z y s k o w y s t a n o w i w s t ę p n ą o d p y l n i ę z a t r z y m u j ą c 20-30$j pyłu u n o s z o n e g o p r z e z sp al i n y .

S k u m u l o w a n a o s z c z ę d n o ś ć e n e r g i i c h e m i c z n e j p al iwa , w y n i k a j ą c a z d z i a ­ ł an ia k ot ła o d z y s k o w e g o lub c h ł o d z e n i a w y p a r k o w e g o , w y n i k a z r ów na n ia :

^ P S ^ n “ * W ^ n e c e X

=el

A ( p w d ) = — ?ii—

J -y - :pp _ f2G)

0 % c t?*

g d z i e :

- s t o p i e ń w y k o r z y s t a n i a pary z k o tł a o d z y s k o w e g o ,

G p ^ - r o c zn a i l oś ć pa ry z kotł a,

ip, i w - e n t a l p i a w ł a ś c i w a par y i w o dy z as i l a j ą c e j ,

- r o c z n e z u ż y c i e e n e r g i i e l e k t r y c z n e j d l a n a p ę d u u r z ą d z e ń p o m o c n i c z y c h kotła,

¥■ H

rl ^ ^ . ” s k u m u l o w a n a s p r a w n o ś ć d o s t a w y c i ep ła z u r z ą d z e n i a z a s t ą ­ p i o n e g o p r z e z k o c i o ł o d z y s k o w y o r a z d o s t a wy e n e r g i i elek»

t r y c z n e j ,

- s p r a w n o ś ć p r z e s y ł a n i a c i ep ła z k o tł a o d z y s k o w e g o lub i n ­ s t a l a c j i c h ł o d z e n i a w y p a r k o w e g o .

5.1. Pr o gn o z a r o z k ł a d u s t r u m i e n i a pary z k o tła o d z y s k o w e g o dla p i e c ó w o d z i a ł a n i u o k r e s o w y m

P r z y d o b o r z e k ot ła o d z y s k o w e g o o r a z w e n t y l a t o r a c ią gu k o n i e c z n a jest z n a j o m o ś ć r o z k ł a d u s t r u m i e n i a i t e m p e r a t u r y spa li n . Do p r og n o z y r o zk ł a d u s t r u m i e n i a s p a l i n i r o z k ł a d u s t r u m i e n i a pary z ko tła o d z y s k o w e g o w y k o r z y ­ s t a n o p r o b a b i l i s t y c z n ą m e t o d ę p r o g n o z o w a n i a u p o r z ą d k o w a n y c h w y k r e s ó w s t r u ­ m i e n i par y z kotła. M e t od a o pi e r a się na w y n i k a c h p o m i a r ó w i o b l i c z e ń r o z k ł a d u w z g l ę d n e g o s t r u m i e n i a s p a l i n i w z g l ę d n y c h i l o ś ci s z k o d l i w e g o p o ­ w i e t r z a w n i k a j ą c e g o p r z e z n i e s z c z e l n o ś c i tra ktu s p a l i n o w e g o na o d c i n k u pi ec p r z e m y s ł o w y - k o c i o ł o d z y s k o w y w c z a s i e t rw a n i a p r o c e s u t e c h n o l o g i c z ­ nego. Dla w y b r a n e g o p r o c e s u t e c h n o l o g i c z n e g o z k a m p a n i i p ie ca o b l i c z a się ś r ed n i s t r u m i e ń s p a l i n o d p ł y w a j ą c y c h z piec a:

Teoria wykorzystania energii odpadowej 93

" s a l " [°02 “ I V " " o 2 od + "a + Ó n a + n0 2 p " I nH 2 p ] /

[(1 + ft 1 - ś ń (27)

l> 0 o ps w J s

g d z i e :

0 2 p' "H,p

nn . n u - il ość t len u i w o d o r u d o p r o w a d z o n a w s u b s t r a t a c h nieener-

2 ?

g e t y c z n y c h w kmol,

nQ - il oś ć tl enu z a w a r t a w p r o d u k t a c h n i e e n o r y e t y c z n y c h w kmol,

n g - z u ż y c i e p o w i e t r z a w. kmol,

ón - i lo ś ć s z k o d l i w e g o p o w i e t r z a w n i k a j ę c o g o p rz e z nieszczel- n oś ci do komo ry p ie c a w kmol,

- i l o ś ć tl enu i w o d o r u d o p r o w a d z o n a w p al i w i e w kmol,

ó n g - ś r ed ni s t r u m i e ń s p a l i n w y b i j a n y c h z kom ory p ie c a w kinol/*1»

- w z g l ę d n a i l o ść t le nu z a w a r t a w py l e u n o s z o n y m ze spalina­

mi w kmol 0 2 / k m o l s.s,

“C - cza s t r w a n i a p r o c e s u w h.

w r

Na p o d s t a w i e p o m i a r ó w i o b l i c z e ń p r z e p r o w a d z o n y c h k i l k a k r o t n i e dla p o ­ s z c z e g ó l n y c h faz w y t o p u o k r e ś l a s i ę r ó w n i e ż śr ed n i w z g l ę d n y strumień s p a ­ li n o r a z e s t y m a t o r o d c h y l e n i a s t a n d a r d o w e g o tej w a r t o ś c i dl a poszczegól­

n y c h faz. P o d o b n i e o k r e ś l a si ę w z g l ę d n ę il ość s z k o d l i w e g o pow iet rza i e s t y m a t o r o d c h y l e n i a tej w i e l k o ś c i w p o s z c z e g ó l n y c h faz a ch procesu. Sp o ­ só b w y z n a c z e n i a p a r a m e t r ó w r o z k ł a d u w z g l ę d n e g o s t r u m i e n i a s p a l i n oraz p a r a m e t r ó w r o z k ł a d u w z g l ę d n e j i lo ś c i s z k o d l i w e g o p o w i e t r z a przedstawiono w p r ac y [3].

W ce l u w y z n a c z e n i a r o z k ł a d u s t a t y s t y c z n e g o s t r u m i e n i a s p al i n oraz w z g l ę d n e j i l o ś c i p o w i e t r z a s z k o d l i w e g o w y k o r z y s t u j e s i ę m e t o d ę Monte C ar lo d l a p o s z c z e g ó l n y c h faz w yt o p u :

" a s l i " (5sli + r n i S 3i ^"ssl (28 5

■*1 " + r ni SV i i29 }

g d z i e :

- w a r t o ś ć ś r e d n ia o r a z e s t y m a t o r o d c h y l e n i a standard ow eg o ro zk ł a d u w z g l ę d n e g o s t r u m i e n i a s pa l i n s u c h y c h przy wy pły ­ wi e z pi ec a w y n i k a j ę c e z s e r i i p omi aró w,

- li c z b a p s e u d o l o s o w a w y z n a c z o n a z r o z k ł a d u n or ma lne go w p r z e d z i a l e (-2, +2),

94 3. S zargut, 3. Kozioł, E. Majza

•\i, - w a r t o ś ć ś r e d n i a o r a z e s t y m a t o r o d c h y l e n i a s t a n d a r d o w e g o w z g l ę d n e j i l o ś c i s z k o d l i w e g o p o w i e t r z a .

Po o b l i c z e n i u w a r t o ś c i s t r u m i e n i s p a l i n d l a p o s z c z e g ó l n y c h faz p r o c e s u (i = l , . . . , n ) s p r a w d z a s i ę w a r u n e k :

«

S S l i ^ i “ n „ ^ 2 A n „ .

ssij s s l i (30)

g d z i e

A l i

s s l i ś r e d n i b ł ę d b e z w z g l ę d n y w y z n a c z e n i a s t r u m i e n i a s p a l i n z r ó w n a ­ n i a (27) w y n i k a j ę c y z p r a w a p r z e n o s z e n i a b ł ę d ó w i z a ł o ż o n e j d o k ł a d n o ś c i p o m i a r ó w ,

%% - c z a s t r w a n i a i - t e j faz y p r o c e s u .

3 e ż e l i n i e r ó w n o ś ć (30) jest s p e ł n i o n a , w ó w c z a s p r o g n o z y s t r u m i e n i s p a ­ l in d l a p o s z c z e g ó l n y c h faz p r o c e s u n a l e ż y u z n a ć za p o p r a w n e . W p r z e c i w n y m p r z y p a d k u n a l e ż y p o w t ó r z y ć p r o g n o z ę s t r u m i e n i s p a l i n d l a p o s z c z e g ó l n y c h faz p r o c e s u . P r oc es s y m u l a c j i p o w t a r z a n y jes t N r a z y d l a k a ż d e j w a r t o ­ śc i ś r e d n i e g o s t r u m i e n i a s p a l i n (>s s i' 2 k a m p a n i i p i e c a w y b i e r a s i ę l o s o ­ w o M p r o c e s ó w t e c h n o l o g i c z n y c h . O t r z y m u j e s i ę w te n s p o s ó b z b i ó r N * M p r o g n o z w a r t o ś c i s t r u m i e n i a s p a l i n d l a p o s z c z e g ó l n y c h f a z p r o c e s u t e c h n o ­ l o g i c z n e g o . U p o r z ę d k o w a n e w y k r e s y s t r u m i e n i a i t e m p e r a t u r y s p a l i n p r z e d k o t ł e m o d z y s k o w y m s t a n o w i ę p o d s t a w ę d o p r o g n o z y u p o r z ę d k o w a n e g o w y k r e s u p r o d u k c j i p a r y . S t r u m i e ń p a r y p r o d u k o w a n e j w k o t l e o d z y s k o w y m w y n i k a z r ó w n a n i a b i l a n s u e n e r g i i d l a i - t e j f a z y p r o c e s u :

ć p i (ip - V - - E o t ^ s s l i * 1 + * i > i [ c ° 2 ] 21* * CO,

[o2]21AMio2 2 + r3

+ X zs2i A M l H 2 0 (31)

g d z i e :

£ ot - w z g l ę d n e s t r a t y c i e p ł a do o t o c z e n i a .

A M i - n a d w y ż k a e n t a l p i i w ł a ś c i w e j s k ł a d n i k ó w s p a l i n ,

%

t2 , t 3 - t e m p e r a t u r a s p a l i n p r z e d i za k o t ł e m o d z y s k o w y m .

Teoria w y k o r z y s t a n i a ener gi i odpadowej 95

T e m p e r a t u r a s p a l i n p r z e d k o t ł e m o d z y s k o w y m jest l o s o w a n a z w y k r e s u u p o r z ą d k o w a n e g o , z a ś t e m p e r a t u r a s p a l i n za k o t ł e m o d z y s k o w y m ni e mo że p r z e k r o c z y ć t e m p e r a t u r y d o p u s z c z a l n e j ze w z g l ę d u na w y t r z y m a ł o ś ć mater ia ­ łów, z k t ó r y c h w y k o n a n o w e n t y l a t o r cię gu.

5,2 . P r o g n o z a r o z k ł a d u s t r u m i e n i a p a ry z k o t ł a o d z y s k o w e g o dla p i e c ó w o d z i a ł a n i u c i ą g ł y m

P i e c g r z e j n y o d z i a ł a n i u c i ę g ł y m m o ż e w s p ó ł p r a c o w a ć z k o t ł e m o dz ysk o­

wym, z a i n s t a l o w a n y m za r s k u p e r a t o r e m . W y d a j n o ś ć k o t ł a o d z y s k o w e g o wynika z r ó w n a n i a :

6 p {1p - V = (1 - S p t ^ 1 + ó ) A T sk

g d z i e :

- s t o p i e ń w y k o r z y s t a n i a s p a l i n ,

6 - w s k a ź n i k n i e s z c z e l n o ś c i r e k u p e r a t o r a p o w i e t r z a ,

A T s j, - s p a d e k t e m p e r a t u r y s p a l i n w k o t l e o d z y s k o w y m .

S p o s ó b w y z n a c z e n i a s t o p n i a w y k o r z y s t a n i a s p a l i n o r a z w s k a ź n i k a nie­

s z c z e l n o ś c i r e k u p e r a t o r a p o w i e t r z a p r z e d s t a w i o n o w p r a c y [ź]. Pojemność c i e p l n a s p a l i n je s t f u n k c j ę w a r t o ś c i o p a ł o w e j p a l i w a i s t o s u n k u nadmiaru p o w i e t r z a do s p a l a n i a :

S = oCj + ^ w d + (oc2 + (52 wd )A. (33)

g d z i e :

" w s p ó ł c z y n n i k i e m p i r y c z n e z a l e ż n e od r o d z a j u p al i w a , podane w p r a c y [lo],

A. - s t o s u n e k n a d m i a r u p o w i e t r z a do s p a l a n i a ,

W d - w a r t o ś ć o p a ł o w a p a l i w a .

Z n a j o m o ś ć r o z k ł a d ó w s t r u m i e n i a p a l i w a P, w a r t o ś c i o p a ł o w e j p a l i w a '.7d , s t o s u n e k n a d m i a r u p o w i e t r z a do s p a l a n i a A, o r a z t e m p e r a t u r y s p a l i n za p i e c e m t g u m o ż l i w i a j ę p r o g n o z ę s t r u m i e n i a pary z k o t ła o d z y s k o w e g o .

S p a d e k t e m p e r a t u r y s p a l i n w k o t l e o d z y s k o w y m w y n i k a z r ó w n a n i a :

A T .

A T sk " ( n r f - g f 5 ■ A T s (34)

g d z i e :

jb - w s k a ź n i k z a s y s a n i a s z k o d l i w e g o p o w i e t r z a d o k a n a ł u s p a l i n o w e g o na o d c i n k u p i e c - r e k u p e r a t o r ,

96 3. Szargut, 3. Kozioł, E. Ilajza

q R - c i e p ł o r e k u p e r o c j i o d n i e s i o n e do j e d n o s t k i pa liwa,

A T SW - n a d w y ż k a t e m p e r a t u r y s p a l i n za k o t ł e m o d z y s k o w y m li cz o n a od t e m p e r a t u r y ot o c z o n i a .

P r o g n o z o w a n i e w a r t o ś c i P, K , t w y k o n u j ą s i ę za p o m o c ą m e to d y M o n te Car lo . L i c zb a l o s o w a ń N z m i e n n y c h P , . . . , t s w y n i k a z k r y t e r i ó w p r o c e d u r y t e s t o w a n i a h i p o t e z y d o t y c z ą c e j w a r t o ś c i śr ad n i e j [4 ],

5.3. P r o g n o z a s t o p n i a w y k o r z y s t a n i a pary z k o t ł ó w o d z y s k o w y c h

S t o p i e ń w y k o r z y s t a n i a pary z k o t ł ó w o d z y s k o w y c h za ł oż y od w a r i a n t ó w u k ł a d ó w z a g o s p o d a r o w a n i a pary:

- u k ł a d s k o j a r z o n y z z a s t o s o w a n i e m tur bi n y p r z e c i w p r ę ż n e j ,

- u kł ad s k o j a r z o n y z z a s t o s o w a n i e m turbi ny u p u s t o w o - k o n d e n s a c y j n e j , - u k ła d w y k o r z y s t a n i a par y w y ł ą c z n i e dl a p o t r z e b t e c h n o l o g i i i c i e p ł o ­

w n ic t w a .

W r a ma ch a n a l i z y t e r m o d y n a m i c z n e j w a r i a n t ó w u k ł a d ó w z a g o s p o d a r o w a n i a pa r y na le ż y s p o r z ą d z i ć p r o g n o z ę u p o r z ą d k o w a n y c h w y k r e s ó w n a d w y ż e k lub n i e d o b o r ó w pary. W tym c e l u nal eż y s f o r m u ł o w a ć r ó w n a n i e u m o ż l i w i a j ą c e o b l i c z e n i e n a d w y ż e k pary 5 G, n a . k t ó r e jest bra k z a p o t r z e b o w a n i a . U p o ­ r z ą d k o w a n y w y k r e s n a d w y ż e k par y p r o g n o z u j e s i ę Z 3 p o m oc ą m e to dy M on te Carlo. W y k r e s y t w o r z y s i ę o d d z i e l n i e dla s e z o n u g r z e w c z e g o i o k r e s u poza s e z o n e m grz e wc z ym . N a d w y ż k i pary nale ży p r o g n o z o w a ć r ó w n o c z e ś n i e dla w a r i a n t ó w w s p ó ł p r a c y u k ła du o d z y s k o w e g o z o d b i o r c a m i p r z e m y s ł o w y m i ora z m i e j s k i m s y s t e m e m c i e p ł o w n i c z y m . S t o p i e ń w y k o r z y s t a n i a par y o b l i c z a si ę z r ó w n a n i a :

^d ^ d

£,=

1

J

J

35

0 0

gdz ie : “Cj o z n a c z a roc z ny cza s d z i a ł a n i a pieca.

6. W Y K O R Z Y S T A N I E F I Z Y C Z N E 3 ENE RG I I S T A Ł Y C H I C I E K Ł Y C H P R O D U K T Ó W P R O C E S U

S t o s u n k o w o r z a dk o w y k o r z y s t u j e s i ę e n t a l p i ę f i z y c z n ą s t a ł y c h i c i e k ­ łych p r o d u k t ó w pr oc e s u . Ęnta.1 pię f i zy c z n ą p r o d u k t u c i e k ł e g o w y k o r z y s t u j e s i ę na p r z y k ł a d p r o d u k u j ą c w o d ę w t e m p e r a t u r z e 8 0 - 9 0 ° C przy g r a n u l a c j i c i e k ł e g o żużl a.

3 e d n y m z t e c h n i c z n i e m o ż l i w y c h s p o s o b ó w w y k o r z y s t a n i a f i zy c zn e j e n e r ­ gi i s t a ł y c h p r o d u k t ó w p r o c e s u jest w y k o r z y s t a n i e e n t a l p i i fi zy c z n e j g o ­ r ą c y c h w l e w k ó w . D o p ł y w w l e w k ó w ze s t a l o w n i jest n i e r ó w n o m i e r n y . W p r z o c i -

Teoria wykorzystania energii odpadowej 97

w i e ń 3 t w l e do tego o d p ł y w w l e w k ó w z hali p i e c ó w w g ł ę b n y c h do klat ki walco­

w n ic z e j p o w i n i e n by ć m o ż l i w i e r ó w n o mi er n y, d o s t o s o w a n y do r ytm u wa l co wa ­ nia. Ol a w y k o r z y s t a n i a f i zy c zn e j e n e r g ii w l e w k ó w ze s t a l o w n i ko nie cz na jest w ł a ś c i w a o r g a n i z a c j a pr acy z e s p o ł ó w p i e c ó w w g ł ę b n y c h . Czas i sposób n a g r z e w a n i a w l e w k ó w ze s t a l o w n i z a l e ż ę od s k ł a d u c h e m i c z n e g o w l e w k ó w oraz od t e m p e r a t u r y p o c z ą t k o w e j w l e w k ó w na p o c z ą t k u p r o c es u n a g r z ew ni a . Czas n a g r z e w a n i a w l e w k ó w w p i ec u w g ł ę b n y m m o ż na o k r e ś l i ć z ró wna nia :

‘pk = *pd " a l (tsp “ ‘o t ^ P i - a2A V (36>

g d z i e :

tpd> tpk “ ś re d n i a t e m p e r a t u r a w s a d u na p o c z ę t k u i k o ńc u p ro c e s u na­

g r z e w a n i a ,

tg p - t e m p e r a t u r a pieca,

A “Ep - czas n ag r z e w a n i a ,

a^, a ^ - w s p ó ł c z y n n i k i em pi r yc z ne .

T e m p e r a t u r a w l e w k ó w p r z e d ich n a s a d z e n i e m zal e ży od c z as u st ygnięcia w l e w k ó w w e w l e w n i c y A t g , c z a su s t r i p e r o w a n i a A U t , czas tr a n s p o r t u w l e w k ó w do p i e ca w g ł ę b n e g o Ati o ra z cz as o c z e k i w a n i a w l e w k ó w na wolnę k o m o r ę p i ec a w g ł ę b n e g o A T ^ :

‘pd “ ‘ot + a 3 (tb " ‘o t ^ P f " a 4 (Atst + A t t * A V ] (37)

g d z i e :

fb = ‘ot + a 5 (tst * ‘ o t ) exp (- a6 A V (38)

t - t e m p e r a t u r a ci e kł e j s t a li na p o c z ę t k u z a l e w a n i a w le wn ic,

t^ - t e m p e r a t u r a ś r e d n i a w l e w k ó w p rz e d s t r i p e r o w a n i e m ,

a 3 ,... ,a6 - w s p ó ł c z y n n i k i em p ir y cz ne .

N i e w ł a ś c i w a o r g a n i z a c j a pr acy ze sp o ł u p i e c ó w w g ł ę b n y c h jest przyczynę o c z e k i w a n i a g o r ą c y c h w l e w k ó w ze s t a l o w n i na z a ł a d u n e k do ko mo ry pi eca w g ł ę b n e g o (AUq > 0 ) , co o b n i ż a t e m p e r a t u r ę w s a d u na p oc z ę t k u pr o c e s u na­

g r z e w a n i a i p o w o d u j e w y d ł u ż e n i e c z a su n a g r z e w a n i a w l e w k ó w w k om o r z e pie­

ca w g ł ę b n e g o .

Z n a j o m o ś ć czasu n a g r z e w a n i a w l e w k ó w u mo ż li wi a j og o p o r ó w n a n i e z w art o­

ści ą t ec h n i c z n i e uz a s a d n i o n ą , przy p e ł ny m w y k o r z y s t a n i u f izy czn ej e n tal ­ pii w le wk ó w . Czas t e c h n i c z n i e u z a s a d n i o n y n a g r z e w a n i a w l e w k ó w wy n i k a z r ó w n a ń (3 6)- (38 ) przy z a ł o ż e n i u A t p = 0.