SPALOVÁNÍ A KOTLE 1 ENERGIE Energie je extensivní veličina definuje se jako schopnost hmoty konat práci vyskytuje se v nejrůznějších formách Z hlediska jejího využití se často rozlišuje energie primární energie zušlechtěná získá se vhodnými energetickými přeměnami Pro praxi má největší význam energie ve formě užitečného tepla v různých formách elektřiny stlačeného vzduchu chladu 2 Pro výroby elektřiny a dodávky tepla jsou využívány především tyto formy energie: primární energie, zejména pak: chemicky vázaná energie fosilních paliv jako je: uhlí uhlovodíková paliva, ropa a zemní plyn energie získaná z tzv. Druhotných energetických zdrojů (DEZ) palivové DEZ tepelné DEZ, obnovitelné zdroje energie z těchto je z hlediska tepelné energetiky zajímavá biomasa omezeně solární energie Fosilní paliva a jejich vlastnosti Fosilními palivy označujeme všechny látky, které nejspíše vznikly v době třetihor z biomasy či organismů a které při slučování s kyslíkem uvolňují tepelnou energii. Mohou mít skupenství pevné (uhlí), kapalné (ropa) plynné (zemní plyn) Fosilní (přírodní) paliva jsou základem pro výrobu paliv umělých, tzn. koksu, topného oleje, svítiplynu nebo zkapalněných plynů. 3 4 Přírodní a umělá paliva BIOMASA Obnovitelné palivo Rozeznáváme především zbytkovou (odpadní) biomasu dřevní odpady z lesního hospodářství odpady z celulózo-papírenského, dřevařského a nábytkářského průmyslu rostlinné zbytky ze zemědělské prvovýroby a údržby krajiny komunální bioodpad odpady z potravinářského průmyslu cíleně pěstovanou biomasu energetické byliny rychlerostoucí dřeviny 5 1
Složení paliv Každé palivo se skládá z hořlaviny přítěže = balastu Hořlavina = část, jejímž okysličováním se uvolňuje teplo chemicky vázané v palivu. Skládá se z aktivních látek, jejichž spalováním vzniká teplo uhlíku (C), vodíku (H) síry (S), z pasivních látek, které teplo nedodávají, ale jsou vázány chemicky na uhlovodíky kyslíku (O) dusíku (N) 7 Přítěž (balast) u paliv pevných a kapalných popeloviny voda u plynných paliv obsah vodní páry nehořlavých plynů. hlavními složkami popelovin jsou jílové minerály (Al 2 O 3, 2SiO 2.2H 2 O), karbonáty (CaCO 3, MgCO 3, FeCO 3 ), sulfidy (FeS 2 ), sulfáty (např. MgSO 4, Na 2 SO 4 ), oxidy (SiO 2, Fe 2 O 3 ) a další. 8 Pro složení pevných a kapalných paliv platí kde je h hmotnostní podíl hořlaviny [kg.kg -1 ] A hmotnostní podíl popelovin [kg.kg -1 ] W hmotnostní podíl vody [kg.kg -1 ] část hořlaviny se po ohřátí paliva uvolní v plynné formě a nazýváme ji prchavý podíl V daf, zbylou část nazýváme koksový zbytek Podle prvkového složení lze hořlavinu popsat vztahem Vztah mezi hm. podílem prvku v palivu a v hořlavině [kg.kg -1 ] Hm. podíl popelovin v sušině a hm. podíl popelovin v palivu obsahujícím vodu spolu souvisí vztahem [kg.kg -1 ] kde jsou C daf, H daf,s daf, N daf, O daf hm. podíly prvků v hořlavině [kg.kg -1 ] 9 Obdobně lze určit podíl libovolného jiného prvku paliva v sušině. 10 Složení plynných paliv Uvádí se obvykle výčtem objemových podílů plynných složek v 1 Nm 3 paliva Nm 3 = kubík plynu za normálních podmínek, tj. pro 0 C a 101,325 kpa = normální metr krychlový Hlavními složkami topných plynů jsou uhlovodíky - C n H m další hořlavé plyny H 2, CO, H 2 S balastní plyny N 2, CO 2, H 2 O 11 Výhřevnost a spalné teplo Výhřevnost paliva Q i [kj.kg -1, kj.nm -3, kwh.kg -1 nebo kwh.nm -3 ] je množství tepla, které se uvolní dokonalým spálením 1 kg (1 m 3 ) paliva při ochlazení spalin na standardní výchozí teplotu 20 C, přičemž vzniklá vodní pára nezkondenzuje. Spalné teplo Q s [kj.kg -1, atd.] je celkové latentní chemicky vázané teplo v palivu, tedy včetně kondenzačního tepla vodní páry ve spalinách z paliva. Vztah mezi spalným teplem a výhřevností je W je obsah vody v palivu [kg.kg -1 ] H je obsah vodíku v palivu [kg.kg -1 ] 12 2
Pevná paliva Zjednodušené schéma složení uhlí jsou všechna původem z organické hmoty liší se od sebe délkou a podmínkami tzv. prouhelnění Dělení podle časové závislosti vzniku: biomasa (současné - proto ji neřadíme do fosilních paliv, ale do obnovitelných zdrojů energie) rašelina (stáří cca 10 tisíc roků) hnědé uhlí (stáří cca 1 milion roků) černé uhlí (stáří cca 3 miliony roků) antracity (stáří cca 5 milionů roků) 13 14 Vlastnosti hořlaviny pevných paliv Zrnění tříděného uhlí a koksu 15 16 Kapalná paliva = topné oleje převážně se připravují z ropy Ropa se skládá : z organických látek ve formě kapalných uhlovodíků z nepatrného podílu příměsí síra voda minerální balast v některých případech s vysokou koncentrací těžkých kovů, z nichž podstatný je zejména vanad Proces zpracování surové ropy probíhá dvoustupňově frakční destilací krakováním 17 Vlastnosti topných olejů Pro transport a spalování jsou důležité vlastnosti hustota viskozita a bod tuhnutí kapaliny výhřevnost Q i [kj.kg -1 ] bod zápalnosti bod samovznícení obsah vody W obsah popelovin Conradsonovo číslo zbytek při koksování obsah smoly mísitelnost olejů 18 3
Vlastnosti kapalných paliv Závislost viskozity topných olejů na teplotě 19 20 Topná nafta Topný olej TL a TS Topný olej TM mazut Kvalita topných olejů Aditiva do topných olejů Obvykle se rozlišují tři typy pro zlepšení spalování korozní ochranu zlepšení tekutosti Plynná paliva mají stále větší význam ve vytápěcí technice v oblasti malých a středních výkonů vytěsňují kapalná a pevná paliva Výhody : nízká měrná emise znečišťujících látek (NO x, CO, SO 2, TL) nejnižší měrná emise [g.mj -1 ] skleníkového plynu CO 2 ze všech fosilních paliv (především u zemního plynu) možnost lokálních kogenerační výroby elektrické energie a tepla v malých jednotkách již od elektrického výkonu 10 kw možnost výroby elektrické energie s velmi vysokou účinností využití v palivových článcích 21 22 Dělení topných plynů dělení dle jejich původu na přírodní zemní plyn z ropných nalezišť průmyslové plyny svítiplyn resp.dnes procesní plyn ze zplyňování uhlí koksárenský plyn kychtový plyn z klasické hutní výroby železa bioplyn zčistíren odpadních vod a z fermentačních procesů apod. kapalné plyny z rafinace ropy (propan a butan). Vlastnosti topných plynů Vlastnosti topných plynů, které rozhodují o použití plynů o konstrukci hořáků pro jejich spalování jsou : spalné teplo Q S výhřevnost Q i relativní hustota plynu d v = poměr hustoty plynu a hustoty suchého vzduchu při shodných podmínkách Wobbeho kriterium teplota vznícení plynu rychlost hoření plynu u max 23 24 4
Důležité vlastnosti fosilních paliv z hlediska spalování měrný tepelný obsah paliva (spalné teplo a výhřevnost) hranice zápalnosti paliva teplota vznícení paliva rychlost plamene spalovací teplota, resp. teplota plamene Přepočty paliv Pro jednotlivé druhy paliv pevná kapalná plynná je jednotkovým množstvím paliva 1 kg pro pevná a kapalná paliva 1 Nm 3 pro plynná paliva = normální metr krychlový platí pro 0 C a 101,325 kpa 25 26 Pevná paliva 1 kg paliva se skládá z hořlaviny h popeloviny A vody W platí Stavy paliva původní r h r + A r + W r = 1 sušina d (s) h d + A d = 1 hořlavina daf (h) hořlavina se skládá z uhlíku C daf vodíku H daf síry S daf C daf + H daf + S daf + N daf + O daf =1 dusíku N daf kyslíku O daf 27 28 Přepočet mezi stavy Výhodné zadání paliva h r C r C d h d A r A d W r r d Obsah vody v pevném palivu kolísá, proto je výhodné zadat složení paliva prvkovým složením hořlaviny C daf, H daf, S daf, N daf, O daf, obsahem popela v bezvodém stavu A d, kteréžto hodnoty zůstávají neměnné a obsah vody W r uvádět v původním vzorku dle konkrétních podmínek. h daf 0 C daf 1 daf 29 30 5
Příklad : Zadání hnědého uhlí Složení hořlaviny C daf = 0,6414 H daf = 0,0573 S daf = 0,03 N daf = 0,013 O daf = 0,2583 Obsah popelovin v sušině A d = 0,3803 Obsah vody v původním stavu W r = 0,29 31 Spalné teplo, výhřevnost Opět platí, že je výhodné zadávat spalné teplo hořlaviny eliminuje se vliv kolísání obsahu vody evt. popelovin v uhlí 32 Spalné teplo, výhřevnost Opět platí, že je výhodné zadávat spalné teplo hořlaviny eliminuje se vliv kolísání obsahu vody evt. popelovin v uhlí Statistické vzorce pro určení výhřevnosti TP Du Longův vzorec vhodný pro starší, silně prouhelnatělá uhlí (antracit, černé uhlí) Přepočty Vondráčkův vzorec doporučovaný pro mladší paliva (hnědé uhlí, lignit) statistický vzorec vypracovaný z rozborů československých paliv používaný v celém rozsahu prakticky používaných tuhých paliv od koksu až po dřevo 33 34 Složení plynu Uvádí se výčtem objemových podílů složek CH 4 0,981695 C 2 H 6 0,005910 C 3 H 8 0,002020 C 4 H 10 0,000791 C 5 H 12 0,000212 C 6 H 14 0,000172 CO 2 0,000910 N 2 0,008290 Výhřevnost 36 409 kj/nm 3 35 6