Égés Az anyagok kémiai átalakulása endoterm exoterm Az exoterm folyamatok között legjelentősebb – égés Égés termokémiai folyamat Az anyag oxigénnel való.

Az előadások a következő témára: "Égés Az anyagok kémiai átalakulása endoterm exoterm Az exoterm folyamatok között legjelentősebb – égés Égés termokémiai folyamat Az anyag oxigénnel való."— Előadás másolata:

1 Égés Az anyagok kémiai átalakulása endoterm exoterm Az exoterm folyamatok között legjelentősebb – égés Égés termokémiai folyamat Az anyag oxigénnel való egyesülése jelentős hőfejlődés Atomi állapotban megy végbe

2 Tüzelőanyag Oxigén Keveredés Gyulladási hőmérséklet Égés feltételei

3 A tüzelő anyagok alkotó elemei Szén (C) Hidrogén(H) Kén (S) Az égéshez szükséges oxigént általában a levegőből veszik, és így az égésben résztvevő további elemek: Oxigén (O) Nitrogén (N)

4 A keletkezett hő Az elemek oxigénnel való egyesülésük során keletkező hő: 1 kg karbon tökéletes égésekor 33,8 MJ 1 kg hidrogén 142 MJ 1 kg kén 10,5 MJ

5 Hidrogén mennyisége az égésben Az égési folyamatban csak a szabad H vesz részt (amelyik nincs kötve a tüzelőanyag oxigénjéhez) A tüzelőanyagban a hidrogén szabad (H d ) és kötött, diszponibilis (H k ) alakban található: H=H k +H d a H 2 O = 2 kg H k + 16 kg O szerint 8 kg oxigénhez 1 kg kötött hidrogén tartozik, így a szabad hidrogén H d = H - O/8 összefüggéssel számítható.

6 Tüzelőanyagok átalakítása ill. átalakulása Tüzelőanyagok átalakítása ill. átalakulása csoportosítható  fizikai,  termikus és  biológiai eljárásokra. Fizikai beavatkozás általában tüzeléstechnikai célból és ez a fűtőértéket önmagában nem befolyásolja, de a könnyebb kezelhetőség érdekében, jobb hatásfok, a tüzelőberendezéshez való alkalmazkodás, az egyszerűbb tárolhatóság céljából esetenként szükséges lehet.

7 Gázosítás (szabályozott/korlátozott levegőmennyiséggel történő termikus folyamat, égetés) Pl. Széngáz előállítása száraz levegő befúvásával 2C+O 2 +N 2 =2CO+N 2 Vízgáz vízgőz befuvatásával C+H 2 O=CO+H 2 Szintézisgáz 3C+3H 2 O+389kJ---------- 1000 ºC 3CO+3H 2 CO+H 2 O -----------300 ºC H 2 +CO 2 +46kJ 3C+4H 2 O+343kJ-------- 2(CO+2H 2 )+CO 2 egy mol szintézisgázhoz tehát 171,5 kJ energia kell. A szintézisgázból folyékony tüzelőanyag pl. metanol állítható elő: CO+2H 2 ------- 300 ºC CH 3 OH+90 kJ Termikus átalakítás-Gázosítás

8 Termikus átalakítás-Pirolízis Pirolízis (szénhidrogének termikus bontása) 200 -1100 °C között, nem lehet sztöchiometrikus egyenletekkel pontosan leírni. Példaként a biomassza pirolízise és termékei: 170 ºC alatt nedvesség eltávozás kátrányképződéssel, 170-270 ºC között CO és CO 2 képződik, 400 ºC körül metán és hidrogénképződés, 500 ºC körül a keletkezett gázok H 2 tartalma megnő, 700 ºC körül a C tartalom nő.

9 A fa pirolízisénél keletkező termékek A fa pirolízisénél keletkező termékek: 30-35%-ban faszén 30 MJ/kg égéshővel, 25 % desztillátum, melynek fő komponensei az ecetsav, metanol, aceton együttes égéshője 24 MJ/kg, 5-25 % gázfázis 200-500 ºC között, melynek összetevői a CO, CO2, H2, metán és az együttes égéshője 1015 MJ/m3.

10 Az égés alapegyenlete Az égés valóságos folyamata összetett kémiai reakció, melyben a közbenső termékeket a szabad atomok és gyökök képezik amelyek termikus disszociáció révén jönnek létre. A tökéletes égés leegyszerűsített kémiai egyenlete: C+O 2 =CO 2 és teljesen hasonlóan a többi elemek (H, S, stb.) A valóságban általában nedvesség is megjelenik vagy a tüzelőanyagban, vagy a levegőben. A keverékképződés molekuláris és turbulens diffúzió útján valósul meg.

11 Hidrogén szerepe az égésben A tiszta C égése lassú folyamat, és kis mennyiségű víz is meggyorsítja az égést, mert magas hőmérsékleten a víz disszociál és H valamint OH gyök keletkezik. Ezek kémiai reakciója a következő: H+O 2 =OH+O OH+C=CO+H O+C=CO 2C+O 2 =2CO és ez tovább oxidálódik H+O 2 =OH+O OH+CO=CO+H O+CO=CO 2 2CO+O 2 =2CO 2

12 Az égés célszerű lebonyolítása a gyakorlatban Van olyan körülmény, amikor az exoterm folyamatot több lépésben célszerűbb megvalósítani (pirolízis, gázosítás). Ilyenkor a közbenső termékek is stabilak lehetnek, tehát nem gyökök és atomok, melyeket önálló tüzelőanyagként vehetők tekintetbe. Az égési folyamat ilyenkor még összetettebb, és gyakran nem irható le pontosan kémiai reakciók formájában.

13 Égésmeleg/fűtőérték Az égéshő (H f ) az a hőmennyiség, mely a tüzelőanyag tökéletes elégetésekor keletkezik, ha az anyag hőmérséklete az elégetés előtt, valamint a keletkezett égéstermékek hőmérséklete az elégetés után egyaránt 20°C, ha az anyag széntartalma széndioxid, ill. kéntartalma kéndioxid alakjában van jelen az égéstermékekben, ha az anyag eredeti nedvessége és az elégetés alkalmával keletkezett víz az elégetés után cseppfolyós állapotban van jelen. A fűtőérték (H a )az a hőmennyiség, mely a tüzelőanyag felsorolt körülmények közötti elégetésekor szabadul fel, de az eredeti nedvessége és az elégés alkalmával képződött víz az égéstermékben gőz állapotban van jelen. Az égéshőt és a fűtőértéket szilárd és folyékony tüzelőanyagoknál 1kg tömegre, gázoknál 1 Nm 3 térfogatra szokták megadni kJ, MJ, kWh, régebben kcal-ban.

14 Égésmeleg meghatározása méréssel Berthelot-Mahler féle kaloriméter

15 Égésmeleg meghatározása méréssel

16 Égésmeleg számítása Szilárd és cseppfolyós anyagok égéshője kJ/kg-ban: H f =338C+1420(H-O/8)+105S Gázok égéshője kJ/Nm 3 -ben: H f =124CO+1420H+420CH 4 +... Fűtőérték: H a =H f -25,5n

17 Lánghőmérséklet számítása Az égési hőmérsékletnek azt a hőmérsékletet nevezik, amelyre az égéstermék az égés során felszabaduló hőtől az adott körülményektől felmelegszik. Az égés során felszabaduló hő egy része a környezetnek átadódik, valamint az égési reakció következtében a hőbomlás, disszociációra fordítódik. Az égésre felírt hőmérleg H a +I t -Q d -I fg =0 Behelyettesítve az égéstermék hőtartalmát I fg =V.c fg.t e számítható az égési hőmérséklet, melyet lánghőmérsékletnek is nevezhetünk ahol H a – a tüzelőanyag égése során felszabaduló hő kJ/kg I t - a tüzelőanyag hőtartalma kJ/kg Q d – a disszociáció hőszükséglete kJ/kg V o –a keletkező füstgáz térfogata Nm 3 /kg c fg – füstgáz közepes fajhője kJ/Nm 3, K σ – a környezetnek átadott meleghányad % η – a tüzelés hatásfoka %

18 Gyulladási hőmérséklet, égési sebesség A gyulladási hőmérséklet az a hőmérsékleti érték, melynél az anyag kis hőfelszabadulással járó oxidációja az égés állapotába lép át. A gyulladás az égést megelőző állapot. A gyulladás bekövetkezhet Öngyulladás Gyújtás A tüzelőanyag gyulladását több tényező befolyásolja, ezért általában beszélhetünk csak gyulladási hőmérsékletről. Az égési sebesség a gyulladás tovaterjedésének sebességét jelenti az égési felületre merőlegesen.

19 A láng A láng általában az égés velejáró, látható jelensége. A lángot csak akkor látjuk, ha a láng világít. A láng világítása az égés során a tüzelőanyagból a karbon részecskék izzásából ered. A láng szerkezete egyensúlyi helyzetben egy belső sötét kúpalakú magból és a körülötte világos ugyancsak kúpalakú részből áll. A belső kúpban a tüzelőanyag és a levegő keveredése megy végbe és a tulajdonképpeni égés ennek a kúpnak a felületén történik. Lángteljesítmény a lángkúp egységnyi felületén időegység alatt felszabaduló hőenergia mennyisége

20 Légfelesleg, légfelesleg-tényező A kémiai egyenletek alapján meghatározható elméleti oxigén ill. levegőmennyiséggel csak abban az esetben lehet tökéletes az égés, ha az éghető anyag minden egyes molekulája ill. atomjai maradéktalanul egyesül a vele egyenértékű mennyiségű oxigénnel. Ez csak molekuláris eloszlás és tökéletes keveredés esetén lehetséges. A valóságban ezek a körülmények nem állnak fenn, ezért az elméletinél több levegő mennyiséget kell az égéshez felhasználni. A ténylegesen felhasznált és elméleti levegőmennyiség hányadosa a légfelesleg tényező. A számításokban a levegőt csak oxigénből és nitrogénból állónak tekintik, a többi gázt ill a nedvességet a számításoknál elhanyagolják.

21 Levegőszükséglet-1 Elméleti oxigén-szükséglet és a keletkező égéstermék mennyisége a tüzelőanyag elemei szrint Az égési reakciók kilomólnyi mennyiségre felírva karbon esetén 12 kg C+ 32 kg O 2 = 44 kg CO 2 1 kg karbon elégetéséhez szükséges oxigén mennyisége 1 kg C + 32/12 O 2 = 44/12 kg CO 2 1 kg C + 2,67 kg O 2 = 3,67 kg CO 2. A gázokat célszerűbb térfogattal megadni, ezért az Avogadró tétel szerint 12 kg C + 22,4 Nm 3 O 2 = 22,4 Nm 3 CO 2 1 kg karbon mennyiségére felírva 1 kg C + 22,4/12 Nm 3 O 2 = 22,4/12 Nm 3 CO 2 1 kg C + 1,867 Nm 3 O 2 = 1,867 Nm 3 CO 2 Hasonlóan számítható a hidrogénre és a kénre.

22 Levegőszükséglet-2 A tüzelőanyag elemeinek égési egyenlete alapján a tüzelőanyag égéséhez szükséges elméleti oxigén mennyiségét A tüzelőanyag tömeg szerinti összetétele: C+H 2 +S+O 2 +N 2 +n+h=1 kg Az elméleti oxigén-szükséglet: O elm =1,867C+5,6H 2 +0,75 S-0,7O 2 Nm 3 /kg Mivel 1Nm 3 levegő 0,21Nm 3 O 2 oxigénből és 0,79Nm 3 nitrogénből áll, vagyis 1Nm 3 O 2 4,76 Nm 3 levegőben van, így az elméleti levegőszükséglet: V 0 =4,76 O elm Nm 3 /kg A valóságos levegőmennyiség V=mV 0

23 Füstgázmennyiség-1 Az elméleti égésterméknél mennyiségét úgy kapjuk, hogy az elméleti oxigénmennyiségéhez a nitrogén mennyiségét is hozzászámítjuk. Az elméleti oxigénmennyiséghez 79/21 O 2elm =3,76 O2 elm Nm 3 /kg nitrogén tartozik. Ha a nedvességet is hozzászámítjuk akkor az elméleti nedves füstgázmnennyiség V fon =1,867C+11,2H 2 +0,7S+ 1,24n+0,8N 2 +3,76O elm A valóságos nedves füstgázmennyiség az elméleti füstgázmennyiség és a felesleges levegő összege: V fn =V fon +(m-1)V 0

24 Füstgázmennyiség-2 A nedves füstgáz mennyiség mellet használatos a száraz füstgáz mennyiség. A száraz füstgáz mennyiség nem tartalmazza a nedvességből származó 11,2 H2+1,24n értéket. Az elméleti száraz füstgáz mennyiség: V fosz =1,87C+0,7S+0,8N+3,76O elm A valóságos száraz füstgáz mennyiség: V fsz =V fosz +(m-1)V 0

25 Levegőszükséglet és füstgázmennyiség a fűtőérték alapján számítással A levegőszükségletet és a füstgáz mennyiségét a tüzelőanyag alkotóinak égési egyenletei alapján számítottuk. Ugyanezen alkotók meghatározzák az égéshőt/fűtőértéket is, ezért közvetlen összefüggés írható fel a fűtőérték és a levegőszükséglet ill. füstgázmennyiség között. pl. szénre

26 Az összefüggéseket kísérletekkel is ellenőrizték, és a könnyű használhatóság érdekében diagramokat készítettek belőlük. Ezek a diagramok különböző tüzelőanyagféleségre és különböző jellemzők feltüntetésével különböző néven ismertek, pl. Bunte-féle diagram Oswald-féle diagramok Rosin-Fehling féle diagramok Levegőszükséglet és füstgázmennyiség a fűtőérték alapján kísérletekkel

27 Bunte-féle diagram

28 Ostwald-féle diagram

29 Rosin-Fehling féle diagramok

30 A füstgázok jellemzői-1 A füstgáz sűrűsége az alkotók sűrűsége alapján számolható: ahol a gázok jele a térfogatarányt jelöli. A gázösszetevők sűrűsége: A füstgázok közepes fajhője 100-300 °C hőmérséklet között c pfg =1,37 kJ/kg,K A füstgázok fajhőjének változása a hőmérséklet függvényében c pfg =1,35+0,0003 t fg A füstgázok hővezetési tényezője

31 A füstgázok jellemzői-2 Füstgázok harmatponti hőmérséklete

32 A füstgázok jellemzői-3 A füstgáz savharmat- pontja

33 A tüzelés veszteségei-1 A tüzelés veszteségeinek főbb formái: a füstgázokkal távozó hőenergia a tökéletlen égés miatti veszteség a visszamaradó anyagok miatt keletkező veszteség egyéb veszteségek

34 A tüzelés veszteségei-2 A fűtőértékre vonatkoztatott veszteség

35 A tüzelés veszteségei-3 A tökéletlen égés miatt keletkező veszteség: A visszamaradó éghető anyagok miatt keletkező veszteség: ahol c szil az a fajlagos érték, mely a tüzelés időtartama alatt visszamaradó éghető maradék tömege az ugyanazon időtartam alatt eltüzelt tüzelőanyaghoz viszonyítva