TET – 4.697 Katelseadmed (2,0 AP)

Kütused ja põlemine

Energia vormid (liigid)

• Mehaaniline energia• Keemiline energia• Soojusenergia• Kiirgusenergia• Elektrienergia• Tuumaenergia

Kütuste energia

• Keemiline energia, mis vabaneb kütuse keemilisel ühinemisel oksüdeerijaga (õhuhapnikuga).

Kütused

• Energeetikas kasutatavad kütused on orgaanilise päritoluga maavarad või nende töötlemise saadused.

• Kütuseks loetakse aineid, mis täidavad tingimusi: küllaldane reageerimiskiirus oksüdeerijaga, gaasilised põlemisproduktid, lihtne tootmine, küllaldane levik looduses.

Kütuste liigid (agregaatoleku järgi)

• Tahkekütused• Vedelkütused• Gaaskütused

Kütuse koostis

Kütus koosneb:• Orgaaniline osa – keerukad süsiniku, vesiniku,

hapniku, lämmastiku ja orgaanilise väävli ühendid• Mineraalosa – savi, ränioksiid, karbonaadid,

sulfaadid, sulfiidid, metallide ühendid jne. Looduslikus gaasis ei leidu. Tekitab tuhka.

• Niiskus – väline niiskus ehk mehaaniline niiskus (eraldub temperatuuril >20°C) ja sisemine ehk kolloidne niiskus(seotud kütuse orgaanilise ainega, eraldub temperatuuril >100 °C).

Kütuse koostis

Soojustehniliste arvutuste lihtsustamiseks esitatakse kütuse koostis keemiliste elementide massiprotsentides:C+H+O+N+S+A+W=100%,

KusA – tuhkW - niiskus

Gaaskütuse koostis

Gaaskütus on mehaaniline segu üksikutest gaasikomponentidest. Gaaskütuse koostist keemiliste elementide massiprotsentide summana esitatakse harva. Tavaliselt esitatakse gaaskütuse koostis kuiva gaasi kohta mahuprotsentides:CO+H2+CH4+H2S+CO2+N2+O2+…=100%

Kütuse koostise mõisted

• Tarbimisaine• Kuivaine• Põlevaine• Analüütiline aine

Tarbimisaine• Kütus tarbijale saabuval kujul

Kütuse tarbimisaine koostis massiprotsentides:Ct+Ht+Ot+Nt+So

t+Spt+At+Wt=100%,

KusSo- orgaaniline väävelSp- püriidi FeS2 koostises olev väävel, mis erinevalt

muust mineraalosast kuulub põlevaine koosseisu

Kuivaine

Kuivaineks nimetatakse niiskuseta kütust.

Kuivaine koostis massiprotsentides:

Ck+Hk+Ok+Nk+Sok+Sp

k+Ak=100%,

Põlevaine

• Põlevaineks nimetatakse niiskuse ja tuhavaba kütust. Tähtsamad komponendid süsinik ja vesinik. Lämmastik ja hapnik on ballast.Põlevaine koostis massiprotsentides:

Cp+Hp+Op+Np+Sop+Sp

p=100%,

Analüütiline aine

• Peenestatud ja kuivatatud kütus , mis läheb laboratooriumis analüüsimisele. Tarbimisainest erinev niiskuse sisaldus.

Kütuse koostise ümberarvutusteguridOtsitav koostis Antud koostis

Orgaaniline osa Põlevosa Kuivaine Tarbimisaine Orgaaniline osa 1

100

100 ppS

100100 k

pk SA

100100 t

ptt SAW

Põlevosa ppS100

100 1 100

100 kA 100

100 tt AW

Kuivaine kp

k SA 100100 kA100

100 1 100

100 tW

Tarbimisaine tp

tt SAW 100100 tt AW 100

100 tW100

100 1

Kütuse kütteväärtus

• Kütuse alumise kütteväärtuse leidmine massiprotsentides esitatud tarbimiskütuse koostise järgi :

Q=339C+1020H-109(O-S)-25W, kJ/kg

Gaaskütuse kütteväärtus

• Gaaskütuse alumise kütteväärtuse leidmine mahuprotsentides esitatud koostise järgi :

Qg=103H+126CO+385CH4+640C2H6+930++C3H8+1200C4H10+230H2S, kJ/m3n

Tahkekütuse kvaliteedinäitajad

• Kütteväärtus, MJ/kg• Niiskus, %• Tuhasisaldus, %• Tihedus, kg/m3

• Puistetihedus, kg/m3

• Tükisuuruse ühtlus

Vedelkütuse kvaliteedinäitajad

• Viskoossus ehk sisehõõrdumine • Tihedus, kg/m3

• Hangumistemperatuur, °C• Filtreeritavuspunkt, °C• Leekpunkt, °C• Tuhasus, %• Väävlisisaldus, %• …

Viskoossus

• Vedeliku omadus avaldada takistust vedelikukihtide nihkumisele üksteise suhtes. Sõltub temperatuurist, mille tõustes väheneb, langedes suureneb.Kinemaatiline viskoossus – , m2/s või St (stooks)

1 St = 10-4 m2/sSuhteline viskoossus – E, ° (tingkraad)

Seos kinemaatilise (St) ja suhtelise viskoossuse E vahel:

Leekpunkt

• Minimaalne temperatuur, mille juures kütuse aurud süttivad leegi juurdeviimisel, kuid kustuvad kohe.

• Lahtise mahuti temperatuur hoida 10K madalam tuleohu vältimiseks.

Gaaskütuse kvaliteedinäitajad

• Kütteväärtus, MJ/m3n• Tihedus, kg/m3n

Antakse normaaltingimustel:temperatuur t = 0°Crõhk p = 760 mmHg (101,3 kPa)

Põlemine

• Keemilis-füüsikaline protsess, kus kütuse põlevaine ühineb keemiliselt hapendajaga (oksüdeerijaga) ning seejuures eraldub soojus (põlemissoojus).

Kütuse põlemiseks kuluv aeg• Gaaskütus = kütuse ja hapendaja segunemine + keemiline

reaktsioon

• Vedelkütus = kütuse kuumutamine + kütuse aurustumine ja termiline lagunemine + kütuse ja hapendaja segunemine + keemiline reaktsioon

• Tahkekütus = kütuse kuumutamine + niiskuse aurustumine ja lendosade eraldumine + kütuse ja hapendaja segunemine + keemiline reaktsioon

NB Osade protsesside ajad kattuvad

Gaaskütuse põlemine

• Nimetatakse homogeenseks põlemiseks, sest kütus on gaasilises olekus nagu hapendajagi

• Kütus süttib ainult siis, kui on hapnikuga teatud kontsentratsioonilises vahekorras.

• Põlevsegu põlemisintensiivsust iseloomustab leegilevi normaalkiirus

Vedelkütuse põlemine

• Heterogeenne põlemine• Vedelkütus põleb aurufaasis• Vedelkütuse tilga põlemisaja määrab kütuse

aurustumisintensiivsus• Põlemise intensiivistamiseks tuleb vedelkütus

pihustada võimalikult peeneks• Et vedelkütus põleks suure intensiivsusega ja

tahmavabalt, tuleb leegi südamikus tagada hapendav keskkond

Tahkekütuse põlemine

1. Osakese kuumenemine ja kuivamine2. Lendosade eraldumine ja põlemine3. Kütuse termilisel lagunemisel

moodustunud koksi põlemine

Põlemise intensiivistamiseks tuleb vähendadakütuse osakese läbimõõtu.

Kütuse põlemiseks teoreetiliselt vajalik õhuhulk

• Õhu kogus, mis on minimaalselt vajalik kütuse ühiku täielikuks põlemiseks

Teoreetilise õhukulu arvutamine

Tahke- või vedelkütuse täielikuks põlemiseks vajalik õhuhulk, kui on teada tarbimiskütuse koostis massiprotsentides:

Vo = 0,0889(Ct+0,375Sto+s+0,265Ht-0,0333Ot), m3n/kg

Õhuhulk täieliku põlemise tagamiseks

• Täielik põlemine on võimalik teoreetilisest õhukogusest suurema õhukogusega, sest kogu koldesse antavat hapniku ei ole võimalik kütusega rektsiooni viia.

• Üle teoreetilise koguse antav õhk on liigõhk• Tegelikult koldesse antava ja teoreetilise

õhuhulga suhe on liigõhutegur.

Põlemisgaasi koostis

Kütuse täielikul põlemisel tekkiv põlemisgaas sisaldab kuivi gaase CO2, SO2, N2 ja O2 ning veeauru H2O.

Mittetäielikul põlemisel võib põlemisgaasis olla veel süsivesinikke, vesinikku ja vingugaasi.

Põlemisgaasi maht täielikul põlemisel

Arvutatakse normaalkuupmeetrites 1 kg tahke- või vedelkütuse või 1 m3n gaaskütuse kohta (m3n /kg, m3n / m3n)

Vg = Vk.g + VH2O = VCO2+VSO2+VN2+VO2+ VH2O =

= VRO2+VN2+VO2+ VH2O

Kus

Vk.g – kuivade põlemisgaaside maht

VH2O – veeauru maht

VRO2- kuivade kolmeaatomiliste gaaside maht

jne

Kuivade kolmeaatomiliste gaaside maht põlemisgaasis

VRO2=0,01866 (Ct+0,375Sto+s)

Lämmastiku maht põlemisgaasis

Lämmastiku teoreetiline maht:

VoN2= 0,79 Vo+0,008Nt

Lämmastiku tegelik maht:

VN2= VoN2+0,79(Vo

Hapniku maht põlemisgaasis

VO2= 0,21(Vo

Veeauru maht põlemisgaasis

Veeauru teoreetiline maht: Vo

H2O = 0,111Ht+0,0124Wt+0,0161Vo+1,24Wp

Veeauru tegelik maht:VH2O = Vo

H2O +0,0161(Vo

kus

Wp – pihustusauru kulu, kg/kg

Põlemise kontroll gaasianalüüsi järgi

• Teostatakse katla kasuteguri hindamiseksTavaliselt mõõdetakse temperatuur ning hapniku ja süsinikoksiidi sisaldus suitsugaasides. Nende andmete järgi arvutatakse liigõhutegur, kasutegur jne.

• Välisõhusaaste määramiseksMõõdetakse keemiliste ühendite kontsentratsiooni suitsugaasides. Mõõtmistulemuse järgi määratakse saastetasu suurus.

Ülesanne

Arvuta puitkütuse kütteväärtus ja täielikuks põletamiseks vajalik õhukogus ning põlemisgaasi kogus.

Algandmed:Kütus Cp-49%, Hp-6%, Op-44%, Np-1%

At-1%, Wt-25%Liigõhutegur 1,1Katla võimsus 50 kWKatla kasutegur 70 %

Kasutatud kirjandus

1. Mikk, I. Soojustehnika käsiraamat. Tln.: Valgus, 1977. 619 lk.

2. Veski, A. Katelseadmed. Tln.: Valgus, 1991. 192 lk.