VTK pr4 [režim kompatibility]

ENERGIE
Energie je extensivní veličina
definuje se jako schopnost hmoty konat práci
vyskytuje se v nejrůznějších formách
Z hlediska jejího využití se často rozlišuje
SPALOVÁNÍ A KOTLE
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
1
Pro výroby elektřiny a dodávky tepla jsou využívány
především tyto formy energie:
primární energie, zejména pak:
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.
uhlí
uhlovodíková paliva, ropa a zemní plyn
energie získaná z tzv. „Druhotných energetických
zdrojů“ (DEZ)
Fosilní paliva a jejich vlastnosti
chemicky vázaná energie fosilních paliv jako je:
palivové DEZ
tepelné DEZ,
obnovitelné zdroje energie – z těchto je z hlediska
tepelné energetiky zajímavá
2
biomasa
omezeně solární energie
3
4
Složení paliv
Přírodní a umělá paliva
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
5
kyslíku (O)
dusíku (N)
6
1
Pro složení pevných a kapalných paliv platí
Přítěž (balast)
u
paliv pevných a kapalných
u
kde je
popeloviny
voda
h
A
W
plynných paliv
[kg.kg-1]
[kg.kg-1]
[kg.kg-1]
část hořlaviny se po ohřátí paliva uvolní v plynné formě a
nazýváme ji prchavý podíl Vdaf,
zbylou část nazýváme koksový zbytek
Podle prvkového složení lze hořlavinu popsat vztahem
obsah vodní páry
nehořlavých plynů.
hlavními
hmotnostní podíl hořlaviny
hmotnostní podíl popelovin
hmotnostní podíl vody
složkami popelovin jsou
jílové minerály (Al2O3, 2SiO2.2H2O),
karbonáty (CaCO3, MgCO3, FeCO3),
sulfidy (FeS2),
sulfáty (např. MgSO4, Na2SO4),
oxidy (SiO2, Fe2O3 ) a další.
kde jsou
7
Cdaf, Hdaf,Sdaf, Ndaf, Odaf hm. podíly prvků v hořlavině [kg.kg-1]
8
Složení plynných paliv
Vztah mezi hm. podílem prvku v palivu a v hořlavině
[kg.kg-1]
Uvádí se obvykle výčtem objemových podílů
plynných složek v 1 Nm3 paliva
Nm3 = kubík plynu za normálních podmínek, tj.
pro 0 °C a 101,325 kPa = normální metr krychlový
Hm. podíl popelovin v sušině a hm. podíl popelovin
v palivu obsahujícím vodu spolu souvisí vztahem
[kg.kg-1]
Hlavními složkami topných plynů jsou
Obdobně lze určit podíl libovolného jiného prvku
paliva v sušině.
uhlovodíky - CnHm
další hořlavé plyny – H2, CO, H2S
balastní plyny – N2, CO2, H2O
9
10
Výhřevnost a spalné teplo
Pevná paliva
Výhřevnost paliva Qi [kJ.kg-1, kJ.Nm-3, kWh.kg-1 nebo
kWh.Nm-3] je množství tepla, které se uvolní
dokonalým spálením 1 kg (1 m3) paliva při ochlazení
spalin na standardní výchozí teplotu 20°C, přičemž
vzniklá vodní pára nezkondenzuje.
Spalné teplo Qs [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
jsou
všechna původem z organické hmoty
se od sebe délkou a podmínkami tzv.
prouhelnění
Dělení podle časové závislosti vzniku:
liší
W je obsah vody v palivu
H je obsah vodíku v palivu
[kg.kg-1]
[kg.kg-1]
11
dřevo (současné - proto ho 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)
12
2
Zjednodušené schéma složení uhlí
Vlastnosti hořlaviny pevných paliv
13
14
Zrnění tříděného uhlí a koksu
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
15
Vlastnosti topných olejů
16
Vlastnosti kapalných paliv
Pro transport a spalování jsou důležité vlastnosti
hustota
viskozita a bod tuhnutí kapaliny
výhřevnost Qi [kJ.kg-1]
bod zápalnosti
bod samovznícení
obsah vody W
obsah popelovin
Conradsonovo číslo – zbytek při koksování
obsah smoly
mísitelnost olejů
17
18
3
Závislost viskozity topných olejů na teplotě
Kvalita topných olejů
Topná nafta
Topný olej TL a TS
Topný olej TM – mazut
Aditiva do topných olejů
Obvykle se rozlišují tři typy pro
zlepšení spalování
korozní ochranu
zlepšení tekutosti
19
20
Plynná paliva
Dělení topných plynů
mají stále větší význam ve vytápěcí technice
v oblasti malých a středních výkonů vytěsňují kapalná a
pevná paliva
Výhody :
nízká měrná emise znečišťujících látek (NOx, CO, SO2, TL)
nejnižší měrná emise [g.MJ-1] skleníkového plynu CO2 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
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 z čistíren odpadních vod a
z fermentačních procesů apod.
kapalné plyny z rafinace ropy (propan a butan).
21
22
Důležité vlastnosti fosilních paliv
z hlediska spalování
Vlastnosti topných plynů
Vlastnosti topných plynů, které rozhodují
o použití plynů
o konstrukci hořáků pro jejich spalování
jsou :
spalné teplo QS
výhřevnost Qi
relativní hustota plynu dv = poměr hustoty plynu a hustoty
suchého vzduchu při shodných podmínkách
Wobbeho kriterium
teplota vznícení plynu
rychlost hoření plynu umax
23
měrný tepelný obsah paliva (spalné teplo a
výhřevnost)
hranice zápalnosti paliva
teplota vznícení paliva
rychlost plamene
spalovací teplota, resp. teplota plamene
24
4
Přepočty paliv
Pevná paliva
Pro jednotlivé druhy paliv
1 kg paliva se skládá z
pevná
hořlaviny
h
popeloviny A
vody W
kapalná
plynná
je jednotkovým množstvím paliva
1 kg pro pevná a kapalná paliva
1 Nm3 pro plynná paliva = normální metr krychlový
platí
platí pro 0 °C a 101,325 kPa
25
26
Přepočet mezi stavy
Stavy paliva
původní
r
sušina d (s)
hořlavina daf (h)
hr + Ar + Wr = 1
hd + Ad = 1
hořlavina se skládá z
Cr
Cdaf
vodíku Hdaf
síry
Sdaf Cdaf + Hdaf + Sdaf + Ndaf + Odaf =1
dusíku Ndaf
kyslíku Odaf
hr
uhlíku
27
Cd
Ar
hd
0
r
Wr
d
Ad
Cdaf
hdaf
daf
1
28
Příklad : Zadání hnědého uhlí
Výhodné zadání paliva
Složení hořlaviny
Obsah vody v pevném palivu kolísá, proto je
výhodné zadat složení paliva
prvkovým složením hořlaviny Cdaf, Hdaf, Sdaf, Ndaf,
Odaf,
obsahem popela v bezvodém stavu Ad,
kteréžto hodnoty zůstávají neměnné
Cdaf = 0,6414
Hdaf = 0,0573
Sdaf = 0,03
Ndaf = 0,013
Odaf = 0,2583
Obsah popelovin v sušině
a obsah vody Wr uvádět v původním vzorku dle
konkrétních podmínek.
Ad = 0,3803
Obsah vody v původním stavu
Wr = 0,29
29
30
5
Spalné teplo, výhřevnost
Statistické vzorce pro určení
výhřevnosti TP
Opět platí, že je výhodné zadávat spalné teplo
hořlaviny – eliminuje se vliv kolísání obsahu vody
evt. popelovin v uhlí
Přepočty
31
Du Longův vzorec vhodný pro starší, silně prouhelnatělá uhlí
(antracit, černé uhlí)
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
32
Složení plynu
Uvádí se výčtem objemových podílů složek
CH4
C2H6
C3H8
C4H10
C5H12
C6H14
CO2
N2
Výhřevnost
0,981695
0,005910
0,002020
0,000791
0,000212
0,000172
0,000910
0,008290
36 409 kJ/Nm3
33
6