MŰSZAKI KÉMIA 7. Tüzeléstechnika ELŐADÁSOK GÉPÉSZMÉRNÖK HALLGATÓKNAK Dr. Bajnóczy Gábor BME Kémiai és Környezeti Folyamatmérnöki Tanszék

AZ ELŐADÁS ANYAGA, KÉPEK, RAJZOK KIZÁRÓLAG OKTATÁSI CÉLRA, KORLÁTOZOTT HOZZÁFÉRÉSSEL HASZNÁLHATÓK ! INTERNETRE KORLÁTLAN HOZZÁFÉRÉSSEL FELTENNI TILOS !

Tüzeléstechnikai alapfogalmak Energianyerés egyik lehetősége: exoterm kémiai reakciók Nagy mennyiségben viszonylag olcsón elérhető alapanyagok: kőszén, kőolaj, földgáz, biomassza. A levegő oxigénjével történő egyesítésükkor jelentős hő felszabadulás. Az égéskor felszabaduló hőmennyiség egysége : Joule (J, kJ, MJ) Az égés intenzitás faktora a hőmérséklet, egysége: Kelvin (K) vagy Celsius-fok (°C) A tüzelőanyagok energiatartalmának mérőszáma az ÉGÉSHŐ és a FŰTŐÉRTÉK

ÉGÉSHŐ Az égéshő (kJ/kg vagy kJ/Nm3) az a hőmennyiség, amely egységnyi tüzelőanyag tökéletes elégetésekor szabadul fel az alábbi körülmények között: a tüzelőanyag és a levegő hőmérséklete az elégetés előtt és az égéstermékek hőmérséklete az elégetés után egyaránt 20 °C, a tüzelőanyag széntartalma szén-dioxiddá a kéntartalma kén-dioxiddá ég el, a tüzelőanyag és a levegő eredeti nedvességtartalma és a hidrogén elégetéséből származó víz az elégetés után 20 °C-on cseppfolyós halmazállapotú,

Fűtőérték A fűtőérték (kJ/kg vagy kJ/Nm3) az a hőmennyiség, amely egységnyi tüzelőanyag tökéletes elégetésekor szabadul fel az alábbi körülmények között: a tüzelőanyag és a levegő hőmérséklete az elégetés előtt és az égéstermékek hőmérséklete az elégetés után egyaránt 20 °C, a tüzelőanyag széntartalma szén-dioxiddá a kéntartalma kén-dioxiddá ég el, a tüzelőanyag és a levegő eredeti nedvességtartalma és a hidrogén elégetéséből származó víz az elégetés után 20 °C-on gőz halmazállapotú, ebben különbözik az égéshőtől A hőmérséklet tekintetében vannak eltérések: 15,6 °C, 25 °C vagy 150 °C

Az égéshő és a fűtőérték viszonya Az égéshő nagyobb vagy egyenlő a fűtőértéknél égéshő [kJ/kg] fűtőérték [kJ/kg] Földgáz 43 000 39 500 A felszabaduló hőmennyiség függ a képződő víz halmazállapotától. A különbség a víz párolgáshőjéből adódik CH4 + 2 O2 = CO2 + 2 H2O A kondenzációs kazánoknál 100 %-nál nagyobb hatásfokot is olvashatunk. A referencia a fűtőérték, így egy veszteség nélküli gázkazán esetén: Betáplált energia: 39500 kJ Hasznosított energia: 39500 kJ Hatásfok: 100 % Veszteség nélküli kondenzációs gázkazán esetén azonban a vizet kondenzáltatjuk és a kondenzációs hőt is hasznosítjuk. Betáplált energia: 39500 kJ Hasznosított energia: 43000 kJ Elméleti hatásfok: 108,8 %

Az égéshő és a fűtőérték viszonya [kJ/kg] fűtőérték [kJ/kg] Szén-monoxid 10 107 10 107 2 CO + O2 = CO2 Nem keletkezett víz Égéshő = fűtőérték

Égéshő meghatározása méréssel Szilárd anyag égéshőjének meghatározása bombakaloriméterben Gázok égéshőjének meghatározása Junkers gázkaloriméterben

Égéshő és fűtőérték meghatározása számítással Ismerni az alábbi laboratóriumi eredményeket: - tüzelőanyag szén (C%), - hidrogén (H%), - kén (S%), - oxigén (O%) - víz (n%) tartalmát. szén égéshője [kJ/kg] hidrogén égéshője [kJ/kg] kén égéshője [kJ/kg] 33829 C% + 144277 (H% - 1/8 O%) + 10467 S% ____________________________________ 100 Égéshő [kJ/kg] = Hidrogén tartalom: éghető hidrogén és oxigénhez kötött nem éghető hidrogén pl: -OH Éghető hidrogén- vagy diszponibilis hidrogén-tartalom = (H% - 1/8 O%) nedvesség tartalom Víz párolgáshője [kJ/kg] 2500 (9H% + n%) Fűtőérték [kJ/kg] = Égéshő - ___________________ 100 A számított érték közelítő jellegű !

Tüzelőanyagok fűtőértéke Nagy oxigén- és víz tartalom, kevés a diszponibilis hidrogén, sok az –OH csoport Nagyobb szén- és kevesebb víztartalom Nincs hidrogén- csak széntartalom A kokszhoz képest több hidrogén, a barnaszénhez képest kevesebb víz Jelentős hidrogéntartalom, Nincs víz- és oxigéntartalom A tüzelőolajnál rövidebb szénláncok miatt nagyobb a hidrogéntartalom

Tüzeléstechnikai fogalmak Gyulladási hőmérséklet: az a legalacsonyabb hőmérséklet, amelyen az anyagból felszabaduló gázok, gőzök atmoszférikus nyomáson levegővel keveredve spontán meggyulladnak. A tüzelőanyagok gyulladási hőmérsékletre való hevítése megfelel a távozó gőzök, gázok és az oxigén közötti reakció aktiválási entalpiaszükségletének Lobbanáspont: az a legalacsonyabb hőmérséklet, amelynél meghatározott vizsgálati körülmények között egy éghető folyadék olyan mennyiségű gázt vagy gőzt bocsát ki, hogy egy gyújtóforrás hatására belobban.

Tüzeléstechnikai fogalmak Éghetőségi, robbanási határok Az anyag 20 °C-os és 1 bar nyomású levegővel alkotott térfogat %-ban kifejezett összetétel határai, amely intervallumban az anyag – levegő elegy éghető illetve robbanó képes . A benzin alsó éghetőségi, robbanási határa 1,4 tf% Ez azt jelenti, hogy az 1,4 tf%-nál kevesebb benzin gőzt tartalmazó levegő-benzin elegy nem ég, nem robban. A benzin felső éghetőségi, robbanási határa 7,6 tf% Ez azt jelenti, hogy az 7,6 tf%-nál több benzin gőzt tartalmazó levegő-benzin elegy nem ég, nem robban. A fentiek alapján csak olyan benzin-levegő elegy gyújtható meg, vagy robbanó képes, amelyben a benzingőz koncentrációja 1,4 – 7,6 tf%

Tüzeléstechnikai fogalmak égés robbanás Égési sebesség : 0,3-3 m/sec Égési sebesség : 1-3 km/sec

Tüzeléstechnikai fogalmak Alsó és felső éghetőségi illetve robbanási intervallumok levegőben Szélesebb intervallum jelentősebb robbanás veszély !

Tüzeléstechnikai fogalmak Adiabatikus lánghőmérséklet T max Tökéletes, veszteség nélküli égéskor elérhető maximális lánghőmérséklet. Fűtőérték _________________________ m1 * c1 + m2 * c2 + ... mn * cn T max ≈ Füstgázalkotók tömege Füstgázalkotók fajhői Hidrogén égése levegőben. Adiabatikus lánghőmérséklet : 2210 °C Hidrogén égése oxigénben. Adiabatikus lánghőmérséklet : 3200 °C

Nagyhőmérsékletű égés A lánghőmérséklet lényegesen növelhető, ha a levegő nitrogénje nem viszi el a felszabadult hőmennyiség jelentős részét Termit reakció Fe2O3 + 2 Al = Fe + Al2O3 Páncéltörő gránát Sínhegesztés T ≈ 3000 °C

Lövegtorony függőleges oldalfalakkal

Lövegtorony ferde oldalfalakkal, vízszintes irányú vastagsága nagyobb az előzőnél

Az égés egyszerűsített folyamata O2 = 2 O O + H2O = 2 OH●

Tüzeléstechnikai fogalmak Diffúziós láng Előkevert láng A láng az égéshez szükséges oxigént csak kívülről kapja. A láng belsejében képződő izzó szénrészecskék világítanak. Minden szilárd anyag diffúziós lánggal ég. Az éghető gázt már az égőfej előtt levegővel elegyítik. Az egyenletes oxigén eloszlás miatt izzó szénrészecskék nem képződnek.

Tüzeléstechnikai fogalmak salak Főleg szilárd tüzelés égési maradéka Összetétel: SiO2 Fe2O3 Al2O3 CaO MgO K2O salakéghető A salak el nem égett tüzelőanyag tartalma Salak lágyulás-, olvadáspontja Lényeges paraméter a tüzelőszerkezet szempontjából. Az alacsonyan hőmérsékleten olvadó salak rásülhet a rostélyra → üzemzavar SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO K2O savas alkotók növelik az olvadáspontot Kb. 1350 °C bázikus alkotók Csökkentik az olvadáspontot Kb. 1170 °C Lágyszárú növények salakjában jelentős, olvadáspont: ≈ 850 °C

Tüzeléstechnikai fogalmak Légfeleslegtényező (n) A légfeleslegtényező a tüzeléstechnika egyik legfontosabb paramétere az égéshez betáplált levegő mennyisége ________________________________ elméletileg szükséges levegő mennyisége Légfeleslegtényező (n) = 0 …………….. 1 ……………….. Légfeleslegtényező tartományai : Oxigén hiányos égetés Oxigén többlettel történő égetés Elméletileg tökéletes égés, gyakorlatilag oxigén hiányos az elégtelen elegyedés miatt

Légfeleslegtényező meghatározása Füstgáz elemzés adataiból: - füstgáz oxigéntartalma O2 tf% - füstgáz nitrogéntartalma N2 tf% Mivel a füstgáz nitrogéntartalma nem különbözik jelentősen 79 tf %-tól, így a képlet egyszerűbb formája ezzel a közelítéssel 21 __________ 21 – O2 % n = oxigén érzékelő

Légfeleslegtényezők a tüzelőanyag függvényében tüzelőanyag légfeleslegtényező Kőszén darabos 1,4 – 1,7 Barnaszén darabos 1,3 – 1,4 Szénpor 1,1 – 1,2 Porlasztott olaj 1,1 – 1,2 Gáz 1,1 – 1,2 rosszul elegyíthető levegővel jobban gázosodik a kőszénnél Az apró részecskék jól elegyíthetők levegővel A levegővel való elegyedés molekuláris szinten valósul meg A légfeleslegtényező felesleges növelése rontja a hőhasznosítás hatásfokát. Feleslegesen melegítjük fel az égéshez szükségtelen levegőt. A légfeleslegtényező optimális beállítása energetikailag és környezetvédelmi szempontból fontos.

Fatüzelésű és vegyes tüzelésű kályhák Egy ajtós, felső leégetésű tűztér. Cél, hogy ne melegedjen át gyorsan tüzelőanyag, mert a felhevült fa gyorsan gázosodik. A nagytömegű felszabadult éghető gáz nem kap elég levegőt, tökéletlen lesz az égés Két ajtós, rostélyos tűztér. Szén esetében megfelelő mennyiségű levegőt kell biztosítani a tökéletes égéshez. Fenyőfa csak gyújtósnak, mert gyorsan gázosodik

Légszennyező anyagok a légfeleslegtényező függvényében (szén-monoxid) n = 1 -nél minimum a tökéletes égés miatt, nem megy le nullára, mert a CO2 magas hőmérsékleten disszociál CO-ra. n < 1 -nél jelentős CO a kevés oxigén miatt n > 1 -nél lassan nő a CO, mert a felesleges levegő hűti a lángot, továbbá csökken a tartózkodási idő A CO + ●OH = CO2 + H reakció idő és hőmérséklet függő tűztér térfogat [m3] __________________________ betáplált térfogatáram [m3/sec] tartózkodási idő [sec] =

Légszennyező anyagok a légfeleslegtényező függvényében (szénhidrogének, korom) n = 1 -nél minimum a tökéletes égés miatt, nem megy le nullára, mert a tűztér fala hidegebb, mint a belső tér, a kémiai reakció lassabb. n < 1 -nél jelentős maradék szénhidrogén a kevés oxigén miatt n > 1 -nél újra növekszik, mert a felesleges levegő hűti a lángot, továbbá csökken a tartózkodási idő, nincs idő a teljes oxidációra A szénhidrogének oxidációja közelítőleg két szakaszban játszódik le: - az első szakaszban leég a hidrogén - a második szakaszban a szénrészecskék égnek el.

Légszennyező anyagok a légfeleslegtényező függvényében (termikus nitrogén-monoxid) n = 1 -nél maximum, mert itt a legmelegebb a láng. A nitrogén és az oxigén egyesülése nitrogén-monoxiddá endotherm reakció, azaz hőigényes n < 1 –nél a tökéletlen égés miatt alacsony a lánghőmérséklet n > 1 -nél a beáramoltatott többlet levegő hűti a lángot

Szilárd tüzelőanyagok tüzelőszerkezetei Rostélyos tüzelőszerkezetek http://www.kablitz.com/grate-systems.html http://www.thefullwiki.org/Incineration Számos változat: síkrostély, ferde rostély, lépcsős rostély, vándor rostély A rostélyra nem szabad ráolvadni a hamunak, ezért ha kell a rostélyon belüli levegő, vagy vízhűtést alkalmaznak pl. biomassza égetésnél

Szilárd tüzelőanyagok tüzelőszerkezetei durva porleválasztó nagyhőmérsékletű tér, a tartózkodási idő növelése céljából hőcserélő tüzelőanyag vándorrostély salak eltávolítás

Szilárd tüzelőanyagok tüzelőszerkezetei Rostély nélküli tüzelőszerkezetek Távozó füstgáz Azonos méretű tüzelőanyag darabok levegőbefúvás A jó hőátadás miatt viszonylag alacsony a lánghőmérséklet.

Háztartási tüzelőszerkezetek Nyílt tűzterű kandalló Hatásfok ≈ 10 %

Háztartási tüzelőszerkezetek Zárt tűzterű kandallók Hatásfok 25 – 30 %

Háztartási tüzelőszerkezetek Cserépkályhák, cserépkályha kandalló Hatásfok 60 – 70 %

KÉMÉNYTŰZ A kéménytűznél a kémény belső oldalán lerakódott korom és kátrányos termék (kreozot) együttese gyullad be. Főleg nedves fával történő tüzelésnél képződik. A hőmérséklet elérheti az 1000 °C-t Vízzel oltani tilos !! C+H2O = CO + H2 Mit tehetünk ? Hívni a tűzoltókat, kályha ajtót lezárni. Ha lehet a kéményfal közeléből távolítsuk el az éghető anyagokat.

Háztartási tüzelőszerkezetek Fa elgázosító kályhák Hatásfok 85 – 90 %

Háztartási tüzelőszerkezetek Pellet kazán Hatásfok 85 – 90 %

Cseppfolyós tüzelőanyagok tüzelőszerkezetei Elgázosító égők Nem kokszosodó tüzelőolajok elégetésére, pl.: régi olajkályhák Porlasztós égők Porlasztásos olajégő Olajégő lángja (enyhén sárga)

Gázhalmazállapotú tüzelőanyagok tüzelőszerkezetei Speciálisan kialakított égőfej biztosítja a megfelelő gáz levegő keveredést. Legjobb hatásfokú, mivel nincsenek lokális oxigén hiányos területek a lángban, kevés légfelesleggel is biztosítható a tökéletes égés Gázégő kékes színű lángja

Gázhalmazállapotú tüzelőanyagok tüzelőszerkezetei Szekunder vagy másodlagos levegő a környezetből alapállapot Primer vagy elsődleges levegő indítás keveredés Folyamatos üzem levegőbeáramlás gázáram A primer levegőáram a gáz sebesség függvénye

Gázhalmazállapotú tüzelőanyagok tüzelőszerkezetei Az égő kialakítása gázminőség függvénye ! városi gáz földgáz bután gáz 2 CO + O2 = 2 CO2 CH4 + 2 O2 = CO2 + 2 H2O C4H10 + 6,5 O2 = 4 CO2 + 5 H2O 2 tf 1 tf 1 tf 2 tf 1 tf 6,5 tf 2 H2 + O2 = 2 H2O éghetőgáz : oxigén = 1 : 2 éghetőgáz : oxigén = 1 : 6,5 2 tf 1 tf éghetőgáz : oxigén = 2 : 1

Számítási gyakorlatok

Szilárd tüzelőanyag fűtőértékének számítása Mennyi a fűtőértéke annak a tatabányai szénnek, amelynek kaloriméterben mért égéshője 2,26*104 kJ/kg, nedvességtartalma 14,5 %, hidrogéntartalma 4,70 % A fűtőértéket (F) az égéshőből (É) megkapjuk, ha a szén nedvességtartalmának és a hidrogén elégéséből képződő víznek az elpárologtatásához szükséges hőmennyiséget (R) az égéshőből (R) levonjuk. 1 kg 20 °C-os víz 20 °C-os gőzzé történő elpárologtatásához szükséges hőmennyiség ≈ 2500 kJ. A hidrogén elégésekor 2,0 grammból 18 gramm víz képződik, tehát a víz mennyisége a hidrogén kilencszerese. Fűtőérték (F) = Égéshő (É) ▬ Párolgási hőmennyiség (R) 2500(9H% + n%) 2500( 9 * 4,70 + 14,5) = 1,42*103 kJ/kg R = = 100 100 Fűtőérték (F) = 2,26*104 kJ/kg – 1,42*103 kJ/kg = 21180 kJ/kg ≈ 2,12*104 kJ/kg

2. Gáz fűtőértékének számítása Számítsuk ki egy éghető gáz normál köbméterenkénti égéshőjét és fűtőértékét egy Junkers kaloriméterben történt meghatározás eredményei alapján. Elégetett gáz (G): 50,0 dm3 20 °C –os Átfolyt vízmennyiség (m): 16,0 dm3 Beáramló víz hőmérséklete: 10,5 °C Távozó víz hőmérséklete: 23,2 °C A füstgázból kondenzálódott Víz fajhője (c): 4,18 kJ/kg°C víz mennyisége : 12,5 cm3 víz párolgáshője: 2500 kJ/kg m * c * Δt 16,0 kg * 4.18 kJ/kg°C * (23,2 – 10,5) °C Égéshő = = = 16987 kJ/m3 (20 °C) ≈ G 50,0 * 10 -3 m3 ≈ 1,70*104 kJ/m3 (20 °C) 1 m3 20 °C-os gáz normál állapotban 273/293 * 1 m3 = 0, 93177 Nm3 = 0,932 Nm3 0,932 Nm3 gáz elégetésekor 1,70*104 kJ szabadult fel, tehát 1 Nm3 esetén 1,70*104 / 0,932 ≈ 1,82*104 kJ/Nm3 A víz elpárologtatásához szükséges hőmennyiség 1 m3 20 °C-os gáz elégetésekor 2500 kJ/kg * 12,5 * 10 -3 kg = 625 kJ/m3 (20 °C) 50,0 * 10 -3 m3 1 Nm3 elégetésekor a víz elpárologtatásához szükséges hőmennyiség 625 / 0,932 = 670,6 kJ ≈ 671 kJ Fűtőérték = 1,82*104 – 671 = 17529 kJ/Nm3 ≈ 1,75*104 kJ/Nm3

3. Fűtőanyag szükséglet számítása Óránként m = 2000 kg 6,5 bar túlnyomású telített 168,0 °C-os vízgőzt kell előállítani 15,00 °C hőmérsékletű tápvízből. Hány kg 15, 0 MJ/kg fűtőértékű szenet kell ehhez elégetnünk tökéletesen, ha a kazán termikus hatásfoka 68,00 % ? A víz párolgáshője (λ) 168 °C-on : 2048 kJ/kg. A víz átlagos fajhője (c) (15-168 °C) : 4,181 kJ/kg°C A víz felmelegítéséhez szükséges hőmennyiség: Q1 = m * c * Δt = 2000 kg * 4,181 kJ/kg°C * (168,0 – 15,00)°C = 1 279 080 kJ = 1 279 MJ A víz elpárologtatásához szükséges hőmennyiség : Q2 = m * λ = 2000 kg * 2048 kJ/kg = 4 096 000 = 4 096 MJ Összes hőmennyiség = 1 279 + 4 096 = 5 375 MJ A 68,00 % hatásfokot figyelembe véve : 5 375 / 0,6800 = 7 904 MJ A szükséges szén mennyiség: 7 904 [MJ] / [15,0 MJ /kg ] = 526,93 kg ≈ 527 kg

4. Légfeleslegtényező számítása Egy gáztüzelésű kazánból az alábbi összetételű füstgáz távozik. Szén-dioxid: 10,78 tf% Vízgőz : 13,55 tf% Nitrogén : 73,48 tf% Oxigén : 1,77 tf% Hány százalék légfelesleggel történik a tüzelés ? 21 21 n = = = 1,099 ≈ 1,1 21 – O2% * (79 / N2%) 21 – 1,77 * (79 / 73,48) A tüzelés során alkalmazott légfeleslegtényező 10 % Légfeleslegtényező számítása az egyszerűsített képlet alapján: 21 21 n = = = 1,092 ≈ 1,1 21 – O2% 21 – 1,77 A tüzelés során alkalmazott légfeleslegtényező az egyszerűsített képlettel 10 % A légfeleslegtényező számítási képletében a 21 és 79 a nitrogén és oxigén százalék két értékes jeggyel szerepel. Ha pontosabb légfelesleget akarunk, a levegő oxigén és nitrogén tartalmát pontosabban, azaz több értékes jeggyel kell megadni.

5. Technológiai paraméterek komplex számítása Egy üzem kemencéinek fűtésénél felhasználásra kerülő fűtőolaj elemzési adatai az alábbiak: szén százalék C% : 84,50 hidrogén százalék H% : 11,80 kén százalék S% : 3,600 hamu százalék : 0,1000 a./ Percenként hány Nm3 levegőre van szükség, ha a fűtőolajból egy 8 órás műszak alatt 1000 kg-ot tüzelünk el 15,0%-os légfelesleggel ? b./ Hány m3/perc 150 °C-os normál állapotnak megfelelő nyomású nedves füstgáz keletkezik ? c./ Milyen összetételű lesz a nedves füstgáz ? Levegő oxigéntartalma 21,0% nitrogéntartalma: 79,0% A fűtőolaj éghető alkotóinak égési reakciói: C + O2 = CO2 H2 + ½ O2 = H2O S + O2 = SO2 1mol 1 mol → 1 mol 1 mol ½ mol → 1 mol 1 mol 1 mol → 1 mol A reakcióegyenletekből az éghető alkotók ismeretében aránypárokkal kiszámíthatjuk a szükséges mennyiségű oxigént, amelyből számítható a levegő mennyisége. A kiszámított levegő mennyiségét meg kell növelni a légfelesleggel. A füstgáz összetétel számításnál hasonlóan járunk el, csak keletkező anyagok (CO2, H2O, SO2) mennyiségét számoljuk ki. Ne felejtsük el, hogy a bevitt nitrogén változatlanul megjelenik a füstgázban. A számolást egyszerűbben végezhetjük el, ha kilomólokkal számolunk és az adatainkat táblázatosan kezeljük. 1 kmol = 22,41 Nm3

Az oxigénszükséglet 8 óra alatt 101,05 * 22,41 = 2 264,5 Nm3 ≈ 2 264 Nm3 A levegőszükséglet az oxigéntartalmat figyelembe véve = 2 264 / 0,210 = 10 781 Nm3 ≈ 1,08*104 Nm3 A 15%-os légfelesleget hozzáadva 1,08*104 + 1,08*104 * 0,150 = 12 420 Nm3 ≈ 1,24*104 Nm3 A percenkénti levegő betáplálás: 1,24*104 / (8*60) = 25,8 Nm3/ perc A füstgáz percenkénti térfogatárama: 13061 / (8 * 60) = 27,210 Nm3 / perc A 150°C-os füstgáz térfogatárama az egyesített gáztörvény felhasználásával: 27,210 * 423 V = = 42,2 Nm3 /perc 273 A nedves füstgáz tf%-os összetétele a percenkénti össztérfogatból és az egyes alkotók résztérfogataiból számíthatók.