thermodynamics, termodinamika, nagib neimarlija ch 12

236 GLAVA 12 .....TERMODINAMIKA........Sagorijevanje......

GLAVA 12 SAGORIJEVANJE

12-1 O gorivima 12-2 Stehiometrijski odnosi sagorijevanja 12-2-1 Sagorijevanje ugljenika 12-2-2 Sagorijevanje vodonika 12-2-3 Sagorijevanje sumpora 12-3 Toplotna mo goriva 12-4 Temperatura sagorijevanja goriva 12-5 Konstanta ravnotee 12-6 Kontrola sagorijevanja 12-7 h-t dijagram dimnih plinova

12-8 Uticaj produkata sagorijevanja na okolicu

12 SAGORIJEVANJE

12-1 O gorivima

Sredinom osamdesetih godina dvadesetog vijeka, pa i danas, ak 80% potreba za toplotnom i elektrinom energijom u industriji i domainstvima se podmiruje sagorijevanjem goriva organskog porijekla (fosilna goriva) i korienjem potencijalne energije vodotokova. U preostalih 20% dominira nuklearna energija sa zanemarivim udjelom solarne i geotermalne energije.

Gorivo je materija koja s kiseonikom burno reagira i pri toj hemijskoj reakciji oslobaa svoju vezanu energiju, koja se prenosi na produkte sagorijevanja i okolicu. U goriva spadaju: drvo, ugalj, nafta, plinovi, gradski i industrijski otpad, itd. Najea podjela i grupisanje goriva je prema agregatnom stanju: vrsta, tena i plinovita. Ova podjela je vanija za tehniku sagorijevanja nego za same termodinamske procese. Sva fosilna goriva su prirodnog porijekla. Meutim, preradom fosilnih goriva raznim tehnolokim postupcima mogu se njihove karakteristike poboljati pa se tada moe govoriti i o vjetakim gorivima. U tabeli 12-1 data je podjela fosilnih goriva.

Kiseonik potreban za sagorijevanje goriva najee se dobavlja iz zraka, pa se moe rei da je sagorijevanje hemijska reakcija goriva i zraka. Za prouavanje procesa sagorijevanja potrebno je znati sastav goriva, te se u tu svrhu obavlja tehnika i elementarna analiza goriva.

GLAVA 12 .....TERMODINAMIKA........Sagorijevanje...... 237

Tabela 12-1 Podjela fosilnih goriva gorivo agregatno stanje

vrsto teno plinovito drvo i drvna masa treset mrki ugalj kameni ugalj antracit

prirodno

kriljci

nafta prirodni plin

drveni ugalj benzin naftni plin polukoks kerozin koksni plin koks dizel gorivo generatorski plin sueni ugalj mazut mijeani plin ugljeni prah razna ulja dimni plinovi ugljeni briket bio plin

vjetako

bioloke mase propan-butan plin

Elementarna ili kvantitativna analiza goriva obavlja se kompleksnim hemijskim metodama i njima se odreuju sastavne komponente goriva: ugljenik(c), vodonik(h), sumpor(s), duik(n), kiseonik(o), pepeo(a), vlaga(w). U sagorive komponente goriva spadaju: ugljenik, vodonik i sumpor. Nesagorive komponente ine balast goriva, i to su: vlaga, pepeo i duik. Najvie nesagorivih komponenti ima u vrstom, a najmanje u plinovitom gorivu. Kod vrstog i tenog goriva hemijski sastav se odreuje u odnosu na jedinicu mase goriva i sasvim prirodno ima slijedei sastav

1=++++++ waonshc . [ ]*12

Za plinovita goriva je karakteristian volumni nain izraavanja njegovog sastava.

Ugljenik (c) u gorivu se javlja u istom obliku kod vrstih goriva ili u obliku ugljikovodika kod tenih i plinovitih goriva. Kod vrstih goriva udio ugljenika u masi goriva se kree od 40% za drvo, do 93% u antracitu, dok se u ostalim gorivima njegov sadraj mijenja u zavisnosti od porijekla i hemijskog sastava goriva.

Vodonik (h) u gorivu se javlja u obliku ugljikovodika, a veoma rijetko u istom stanju. S porastom starosti vrstog goriva udio vodonika opada od 6% do 2% u masi.

Sumpor (s) predstavlja nepoeljnu sagorivu komponentu goriva, zbog toga to produkti sagorijevanja, sumporni oksidi, reagirajui s vodom stvaraju kiseline te na taj nain uzrokuju koroziju instalacija i zagaenje okolice. U gorivu se javlja u tri oblika: s organskim jedinjenjima (organski sumpor), u


metalnim sulfidima (piritni sumpor) i u sulfatnim jedinjenjima (sulfatni sumpor). Sagorivi sumpor potjee iz organskog i piritnog sumpora. Sulfatni sumpor (MgSO4, FeSO4, CaSO4) ne ini sagorivu komponentu goriva. Udio sagorivog sumpora u vrstom gorivu manji je od 1% i zavisi od mjesta nalaenja goriva.

Kiseonik (o) u gorivu se nalazi u obliku razliitih jedinjenja. Njegov maseni udio kod vrstih goriva je 2% za antracit, a za drvo i drvenu masu do 42%. to je starost vrstog goriva vea udio kiseonika je manji. Smanjenjem udjela kiseonika u gorivu raste toplotni efekat egzotermne reakcije sagorijevanja goriva.

Duik (n) nesagoriva je komponenta goriva, ali ipak uestvuje u reakciji oksidacije stvarajui veoma tetne i otrovne duikove okside. Njegov maseni udio u gorivu se kree od 1% do 2%.

Tehnikom analizom se odreuju komponente goriva: vlaga (gruba i higroskopska), isparive sagorive materije, vrste sagorive materije i pepeo; tako da se: vlaga odreuje suenjem goriva na 1050C, isparive sagorive materije odreuju arenjem goriva do 8750C bez

prisutnosti zraka, pepeo odreuje arenjem goriva na (700-775)0C uz prisutnost zraka, vrste sagorive materije su razlika poetne mase goriva i izmjerenih

komponenti. Sadraj pepela (a) zavisi od mase nesagorivih mineralnih sastojaka

(zemnoalkalnih metala, alumosilikata, itd.) i kree se od 1% u drvetu do 55% u kriljcima. S obzirom na visoke temperature sagorijevanja goriva i razliit sastav pepela mineralni sastojci stvaraju ljaku razliite temperature topljenja. Istopljena ljaka oblae gorivo te na taj nain oteava proces sagorijevanja i istovremeno prlja loini prostor i instalacije u njemu. ljaku uglavnom ine slijedei spojevi: Al2O3, SiO2, CaO, MgO, TiO, P2O5, Na2O+K2O. S obzirom na sastav ona je pogodna za dalju preradu i upotrebu.

Vlanost goriva (w) zavisi od vlanosti zraka, mjesta eksploatacije i vode ugraene u kristalnu reetku vrstog goriva. Gruba vlaga ili spoljna vlaga mijenja se s promjenom temperature okolice i vlanosti skladinog prostora. to je gorivo poroznije to je vlanost goriva vea. Voda ugraena u kristalnu reetku goriva zove se higroskopska vlanost.

Isparljive komponente predstavljaju vanu karakteristiku goriva. to je vei njihov udio, to su nie temperature potrebne za paljenje goriva i stvaranje plamena. Isparive komponente u vrstom gorivu nastaju kao rezultat razlaganja organske mase goriva na visokim temperaturama bez prisustva


kiseonika ili zraka. Te komponente su: duik, kiseonik, vodonik, ugljenmonoksid, vodena para i razni ugljikovodici (CH4, C2H4...).

Gorivo u zavisnosti od vrste i mjesta nalaenja sadri vei ili manji udio isparivih komponenti, mineralnih jedinjenja, vlage i sagorivih komponenti. U tabeli 12-2 dati su orijentacioni podaci o sadraju pojedinih komponenti u gorivu.

Tabela 12-2 Sadraj komponenti u gorivu gorivo sadraj

ugljika isparive komp.

vlanost

na 200C higroskopska

vlanost

mineralne supstancije

maseno % drvo 40-50 85-95 50-60 7 1-1,5 treset 40-60 75 50-60 10 8-10 mrki ugalj 50-75 40-50 50-30 6-10 7-30 kameni ugalj 75-90 17-37 5-14 1-5 6-45 antracit 85-93 3-8 5-9 2-3 8-28 kriljci - 90 5-25 - 40-60 tena 50-91 - 1 - 0,2-1 plinovita 7-50 - 0 0 0

12-2 Stehiometrijski odnosi sagorijevanja

Mehanizam sagorijevanja jako je kompleksan fiziko-hemijski proces vezivanja kiseonika sa sagorivim komponentama goriva, praen oslobaanjem hemijske energije goriva i svjetlosti, koji jo uvijek nije dovoljno poznat. Za ovaj egzotermni proces vae zakoni odranja energije i mase. Zakon odranja mase omoguava da se odredi potrebna masa kiseonika ili zraka za proces sagorijevanja goriva, odnosno masa nastalih produkata hemijskog procesa. Ipak, iz mnogih teorijskih i eksperimentalnih radova dobro su poznati odnosi poetnih i konanih produkata kao i ukupni efekti procesa sagorijevanja. Rijetko se za sagorijevanje koristi ist kiseonik; mnogo ee se sagorijevanje izvodi pomou atmosferskog zraka, kao izvora kiseonika. Nezavisno od navedenog neophodno je odrediti potronju kiseonika, a samim tim i zraka, kao i masu i volumen nastalih produkata sagorijevanja. Navedeni podaci opisuju statiku procesa i mogu se odrediti pomou stehiometrijskih jednaina sagorijevanja goriva. Na ovaj nain se dolazi do osnovnih podataka neophodnih projektantima za tehniku realizaciju sagorijevanja u postrojenjima.


12-2-1 Sagorijevanje ugljenika

Zas svaku sagorivu komponentu, iz elementarne analize goriva, razraene su stehiometrijske jednaine sagorijevanja. Sagorijevanjem ugljenika dolazi do njegovog spoja s kiseonikom iz zraka, pri emu nastaje ugljendioksid uz oslobaanje odreene koliine toplote

[ ]ckg/kJ.COOC 9003322

++ . [ ]112

Prethodna jednaina moe se napisati i u slijedeem obliku

22111 COmolekulOmolekulCmolekul =+ . [ ]212

Ako se prethodna jednaina pomnoi sa Avogadrovim brojem, onda slijedi

22111 COkmolOkmolCkmol =+ . [ ]312

Kada se mase za C, O2 i CO2 i izraze u kilogramima, dobija se

22443212 COkgOkgCkg =+ . [ ]412

Konano, mnoenjem prethodne jednaine sa c/12 dobija se

22 12

44

12

32COkgcOkgcCkgc =+ . [ ]512

12-2-2 Sagorijevanje vodonika

Odgovarajue jednaine sagorijevanja vodonika mogue je izvesti na potpuno analogan nain kao kod sagorijevanja ugljenika:

[ ]hkgkJ.OHOH 0001202

1

222++ [ ]612

i

[ ]hkgkJ.OHOH 0001422

1

222++ . [ ]712

Jednaina [ ]612 odnosi se na proces sagorijevanja kada je produkt sagorijevanja vodena para, a jednaina [ ]712 na stanje kada je produkt sagorijevanja voda. Navedene dvije osloboene toplote definiraju se kao:


[ ]hkgkJ.hg

000142= - gornja toplotna mo goriva, a [ ]hkgkJ.hd

000120= -

donja toplotna mo goriva. Analogno jednainama za sagorijevanje ugljenika mogu se izvesti

odgovarajue jednaine za sagorijevanje vodonika:

OHmolekulOmolekuleHmolekul222

12

11 =+ , [ ]812

OHkmolOkmolHkmol222

111 =+ , [ ]912

OHkgOkgHkg222

18162 =+ , [ ]1012

OHkghOkghHkgh222 2

18

2

16=+ . [ ]1112

12-2-3 Sagorijevanje sumpora

Na potpuno analogan nain mogu se izvesti odgovarajue jednaine za proces sagorijevanja sumpora:

[ ]skgkJ.SOOS 00010522

++ , [ ]1212

22111 SOmolekulOmolekulSmolekul =+ , [ ]1312

22643232 SOkgOkgSkg =+ , [ ]1412

222 SOkgsOkgsSkgs =+ . [ ]1512

Na osnovu stehiometrijskih jednaina [ ]512 , [ ]1112 i [ ]1512 mogue je odrediti minimalno potrebnu koliinu kiseonika za sagorijevanje goriva

oshcOmin ++= 2

16

12

32

gorivakg

Okg2

. [ ]1612

U prethodnoj jednaini - o je koliina kiseonika koja se ve nalazi u gorivu. Ako se jednaina [ ]1612 podijeli s molekularnom masom kiseonika

322

=O

M kg/kmol i pomnoi s 22,4 Nm3/kmol , dobit e se minimalna koliina kiseonika izraena u volumnim jedinicama


o,s,h,c,Omin 707060358681 ++=

gorivakg

ONm2

3

. [ ]1712

Sve dosada navedeno vai ukoliko se za proces sagorijevanja koristi isti kiseonik. Meutim, kod veine procesa sagorijevanja u ininjerskoj praksi koristi se kiseonik iz zraka. Budui da ga tamo ima 23% po masi ili 21% po volumenu, to e minimalna koliina zraka potrebna za sagorijevanje goriva biti:

[ ]gorivakgzrakakg,

OV minmin,zr 230

= ,

ili

[ ]gorivakgzrakaNm,

OV minmin,zr

3

210= . [ ]1812

Gorivu u procesu sagorijevanja mora se dovoditi vea koliina zraka od minimalne, jer je nemogue do svake estice goriva dovesti idealnu koliinu zraka. Zato se definira stvarna koliina zraka

min,zrstv,zr VV = , [ ]**12

gdje je koeficijent vika zraka i predstavlja odnos izmeu stvarne i teorijske potronje zraka pri sagorijevanju goriva. Koeficijent vika zraka odreuje se eksperimentalnim putem.

Pri projektovanju loinog prostora koeficijent vika zraka bira se prema vrsti goriva, nainu sagorijevanja i konstruktivnim karakteristikama loita. U tabeli 12-3 navedene su orijentacione vrijednosti koeficijenta vika zraka za razliite vrste goriva i loita.

Tabela 12-3 Koeficijent vika zraka gorivo

plinovito 1,0-1,20 teno 1,15-1,30 ugalj - runo loenje/nepokretna reetka 1,50-1,70 ugalj - pokretna reetka 1,20-1,40

Kod savrenijih loita s boljim mijeanjem i sagorijevanjem goriva stvarna potronja nije mnogo vea od teorijske potronje zraka. Ako je koeficijent vika zraka manji od jedan, to jest 1


dio ugljenika, u obliku ai, ili u nesagorjelom obliku sa ljakom, odvodi iz loinog prostora. Zbog toga dio hemijske energije goriva ostaje neiskorien, tako da se pri potpunom sagorijevanju 1kg ugljenika oslobodi 34 MJ energije, a pri nepotpunom sagorijevanju u CO oslobodi se samo 10 MJ energije. Procesi sa 1


izmeu komponenti koje uestvuju i nastaju tokom sagorijevanja goriva. Pomou ovog zakona je mogue odrediti do kog je stepena napredovao nepovratni proces sagorijevanja, praen gubitkom eksergije, ne ulazei pri tome u kinetiku hemijskih reakcija, to jest u pitanje brzine kojom reakcije protjeu.

Toplotna mo goriva odreuje se:

eksperimentalno, kada se termohemijski efekat potpunog sagorijevanja goriva s kiseonikom dogaa u specijalnim ureajima. Izohorsko sagorijevanje goriva izvodi se u kalorimetrijskoj bombi; izobarno sagorijevanje goriva obavlja se u Junkersovom kalorimetru;

analitiki, korienjem stehiometrijskih obrazaca za poznati sastav goriva izraunava se priblina vrijednost toplotne moi.

Za praktinu upotrebu toplotna mo goriva jedna je od najbitnijih njegovih karakteristika. Do pouzdanih podataka o toplotnoj moi goriva dolazi se eksperimentalnim mjerenjima pomou kalorimetara. Ako se pak eli analitiki izraunati toplotna mo goriva u kojem ima ugljenika, vodonika, sumpora i drugih inertnih sastojaka, onda nije dovoljno sabrati toplote koje se dobiju sagorijevanjem pojedinih sagorivih komponenti. Naime, proces sagorijevanja vrlo je komplikovan, dovoljno jo neobjanjen, sa puno meufaza mijeanja i disocijacije, te zbog toga se dobijeni analitiki rezultati koriguju eksperimentalnim podacima.

U produktima sagorijevanja goriva ima vode koja potjee od vlanosti u gorivu i od sagorijelog vodonika. Zavisno od pritiska i temperature, voda moe biti u tenom i parnom stanju. Kada se cjelokupna voda u produktima sagorijevanja nalazi u tenom stanju, toplotni efekat hemijske reakcije oznaava se kao gornja toplotna mo goriva i odreuje se za 00C. Za vrsto i teno gorivo empirijska jednaina gornje toplotne moi goriva za poznate masene udjele komponenti je

s.)o

h(.c.hg 50010800014290033 ++= . [ ]2212

U sluaju da se cjelokupna voda u produktima sagorijevanja nalazi u parnom stanju, osloboeni iznos toplotne energije, pri potpunom sagorijevanju, oznaava se kao donja toplotna mo goriva. Toplotna mo goriva se, najee, odreuje u odnosu na 00C za koju je latentna toplota isparavanja jednog kilograma vode r =2500 kJ/kg, stoga je veza izmeu gornje i donje toplotne moi za vrsta i tena goriva data slijedeom relacijom


)wh(hh gd += 92500 , [ ]2312

gdje je w - koliina vlage u gorivu i 9h - vlaga nastala sagorijevanjem vodonika.

Plinovita goriva, zahvaljujui lahkom mijeanju sa zrakom, odsustvu dima pri sagorijevanju, kompresibilnosti i lahkom cjevovodnom transportu, imaju iroku primjenu u procesima dobijanja toplotne energije. Plinovita goriva predstavljaju mjeavinu ugljikovodika, vodonika, ugljenmonoksida, vodonik-sulfida, duika, ugljendioksida i vodene pare. Njihov sastav odreuje se hemijskim i hromatografskim putem, a izraava se u volumnim udjelima. Sastav prirodnog plina, koji se crpi iz Zemljine utrobe, i vjetakih plinovitih goriva veoma je razliit. U prirodnom plinu preovlauje metan (CH4), ak i do 98%, uz malo prisustvo etana, propana, butana, etilena i propilena, dok je sadraj kiseonika i duika zanemariv. Kod vjetakih goriva udio sagorivih komponenti, koje preteno ine vodonik i ugljenmonoksid, jeste u iznosu od 25% do 45%, dok ostatak ine nesagorive komponente u kojima preovlauju duik i ugljendioksid.

Toplotnu mo plinskih goriva mogue je priblino izraunati, poznavanjem volumnih udjela komponenti, pomou slijedeih jednaina:

gornja toplotna mo

+++++=846383624

5121192299669939 HCHCHCHCCHg r,r,r,r,r,h

COHCHCHCHC r,r,r,r,r, 631295736251575128 2242125104 +++++

....r,r, SHH +++ 22 7257512 [MJ/m3], [ ]2412

donja toplotna mo

=dh +++ 83624 191763335 HCHCCH r,r,r, ++ 125104 51464118 HCHC r,r,

COr,6312+ +++ SHH r,r,22

4237810 ++4222

358955 HCHC r,r,

....r,r HCHC +++ 8463 511386 [MJ/m3]. [ ]2512

Izraunate vrijednosti toplotne moi goriva, prema navedenim obrazcima [ ]2212 , [ ]2312 , [ ]2412 i [ ]2512 , utvruju termohemijski efekat u odnosu na gorivo temperature 00C, pritiska 1,01325bara i produkata sagorijevanja dovedeni na isto stanje.


12-4 Temperatura sagorijevanja goriva

Nakon paljenja goriva hemijski proces vezivanja kiseonika sa sagorivim komponentama goriva odvija se velikom i konanom brzinom. Dinamika procesa, a time i brzina hemijske reakcije, odreena je prostiranjem toplote i difuzionim prenoenjem masa koje meusobno reagiraju. Dinamika procesa zavisi od vrste goriva, prije svega, da li je vrsto, teno ili plinovito.

Ako je brzina hemijske reakcije velika u poreenju s brzinom prostiranja toplote ili brzinom difuzije masa koje reagiraju, a prije svega kiseonika, rezultujua brzina procesa sagorijevanja goriva bit e odreena najsporijim procesom: ili brzinom prostiranja toplote ili brzinom difuzije masa.

Da bi se gorivo zapalilo, neophodno je dovesti energiju za njegovo zagrijavanje do temperature paljenja. Reakciona sposobnost goriva odreuje se energijom aktivacije, koja predstavlja najmanji iznos energije koju je potrebno dovesti gorivu da bi se povisio energetski nivo molekula u kome se raskidaju meumolekularne veze i osigurava hemijska reakcija s kiseonikom. Energetski nivo molekula, koji osigurava paljenje goriva, zavisi od vrste goriva. Za ilustraciju, temperature paljenja za neka goriva u zraku sa 1= date su u tabeli 12-5.

Temperatura, koja odgovara temperaturi dimnih plinova, na kraju procesa sagorijevanja goriva naziva se temperatura sagorijevanja. Ako se sagorijevanje odvija u adijabatskom sistemu, dobijena temperatura odgovara teoretskoj temperaturi sagorijevanja. U veini industrijskih postrojenja sagorijevanje se odvija pri konstantnom pritisku praeno gubicima toplote.

Kada se zna toplotna mo goriva, potrebna koliina zraka za sagorijevanje i koliina nastalih dimnih plinova, tada je mogue izraunati temperaturu sagorijevanja, odnosno temperaturu dimnih plinova.

Prvi pristup. Pretpostavke su slijedee: sagorijeva 1kg goriva, stvarno potrebna koliina zraka za njegovo sagorijevanje je min,zrstv,zr VV = , nastala masa dimnih plinova je Vdp,stv i osloboena toplota je jednaka donjoj toplotnoj moi goriva hd. Sa ovim pretpostavkama za stacionarni proces i otvoreni termodinamski sistem vai slijedea bilansna jednaina

i

i

ij

j

jdg hmhmhm = , [ ]2612

gdje je ii

ihm - entalpije zraka i goriva, a jj

jhm - entalpije dimnih plinova i pepela.


Za referentno stanje 00C, u kojem su entalpije svih supstancija nula, i za P=const. vai:

ggzrzr,pmin,zrgzrstv,zri

i

i tctcVhhVhm +=+= , [ ]2712 i

( ) aadpdp,pmin,zradpdpjj

j tcatcVahahmhm ++=+= 1 . [ ]2812

Ukoliko se izrazi [ ]2712 i [ ]2812 uvrste u [ ]2612 , dobit e se teorijska ili adijabatska temperatura sagorijevanja, odnosno temperatura dimnih plinova na izlazu iz loita

( ) dp,pmin,zrd

dpcVa

ht

+=

1 ( ) dp,pmin,zrggzrzr,pmin,zr

cVa

tctcV

++

+1

( ) dp,pmin,zraa

cVa

tca

+

1. [ ]2912

Drugi pristup. U stacionarnom procesu za sagorijevanje 1kg goriva poetne temperature tok dovodi se koliina zraka Vzr,stv, koji moe biti predgrijan na temperaturu tzr. Koliina dimnih plinova je Vdp,stv i imaju temperaturu tdp. U toku procesa sagorijevanja odvodi se dio toplote putem zraenja plamena qzr. Za opisani proces sagorijevanja toplotni bilans je

( ) ( ) zrokdpdp,pstv,dpokzrzr,pstv,zrd qttcVttcVh +=+ . [ ]3012

Prema tome, temeperatura dimnih plinova na izlazu iz loita je ( )

dp,pstv,dp

zrokzrzr,pmin,zrd

okdpcV

qttcVhtt

++= . [ ]3112

Za specifine toplote ca, cg, cp,zr i cp,dp uzimaju se srednje vrijednosti temperatura za razmatrani temperaturni interval. Budui da je u poetku temperatura dimnih plinova tdp nepoznata, ona se u prvom koraku pretpostavi. Nakon prvog prorauna temperature tdp izvri se korekcija za cp,dp, pa se napravi drugi korak i tako nekoliko puta do eljene tanosti.

Jednaina [ ]2912 ima najopiji oblik i odreuje teoretsku temperaturu sagorijevanja za sve vrste goriva. Izraz daje mogunost za procjenu uticaja


pojedinih veliina na teorijsku temperaturu sagorijevanja. Oigledno da e temperatura sagorijevanja biti via za: goriva vee toplotne moi hd, vie temperature reaktanata tzr i tg, niske temperature pepela ta i koeficijent vika zraka priblino jedan. U tabeli 12-6 data je teorijska temperatura sagorijevanja goriva u ovisnosti o koeficijentu vika zraka.

Tabela 12-5 Temperature paljenja goriva

Vrsta goriva

Temperatura paljenja [0C]

mehko drvo 220 tvrdo drvo 300 treset 225-280 mrki ugalj 135-220 antracit 485 drveni ugalj bukva 208 drveni ugalj hrast 185 koks - razne vrste 200-600 benzin 330-520 lo ulje 260-360 butan 430-490 metan 645 prirodni plin 650 vodonik 450

Tabela 12-6 Teorijske temperature sagorijevanja goriva

1 1,3 1,5

gorivo tdp [0C]

antracit 2270 1845 1665 mrki ugalj 1875 1590 1425 treset 1700 1510 1370 drvo 1855 1575 1435 mazut 2125 1740 1580 prirodni plin 2000 1749 1478

Jednaina [ ]2912 moe se primijeniti na hemijske procese sagorijevanja pod pretpostavkom da nema rada i toplotnih gubitaka otvorenog sistema, te da su zanemarive promijene kinetike i potencijalne energije svih uesnika procesa. Takoer, u toku procesa sagorijevanja dolazi do procesa disocijacije nastalih produkata, posebno vode i ugljendioksida; tada jednainu [ ]2912 treba korigirati za energiju utroenu u taj proces.


12-5 Konstanta ravnotee

U toku procesa sagorijevanja goriva u reakcionom prostoru uvijek ima i reaktanata i produkata sagorijevanja. Naime, u ravnotenom stanju, hemijska reakcija nikada ne tee dokraja, odnosno, tok reakcije je u oba smjera, i u smjeru stvaranja produkata sagorijevanja i u smjeru njihovog razlaganja.

U ravnotenom stanju termodinamski potencijali reaktanata i proizvoda reakcije meusobno su jednaki, to omoguava da se za svaku reakciju vezivanja kiseonika sa sagorljivim komponentama u gorivu definira konstanta ravnotee.

Za uspostavu ravnotenog stanja izmeu uesnika i proizvoda hemijskog procesa, uz prisustvo procesa disocijacije, potrebno je utroiti energiju za raskidanje hemijskih veza u molekulama supstancija. Za veinu dimnih plinova proces disocijacije poinje s prekoraenjem temperature od 15000C. Navedeno znai da e se dio toplote osloboene u procesu sagorijevanja utroiti na proces disocijacije, a prije svega na proces disocijacije vode i ugljendioksida. Kod temperatura znatno viih od 15000C poinje se razlagati vodonik i kiseonik na atome uz istovremeno stvaranje duikovih i sumpornih oksida. Za neke tipine hemijske reakcije konstante ravnotee imaju slijedei oblik:

22 2

1OCOCO Q +

2

2

CO

OCO

pP

PPK = , [ ]3212

22Q

2 O21HOH +

OH

OHp

2

22

PPP

K = , [ ]3312

NOONQ 2

22+

22 ON

2NO

p PPPK = , [ ]3412

HHQ 2

2

2H

2H

p PPK = , [ ]3512

OOQ 2

2

2O

2O

p PPK = , [ ]3612


NNQ 2

2

2N

2N

p PPK = . [ ]3712

Tabela 12-7 Vrijednost Kp homogenih reakcija Temperatura Kp

[ ]K Jednaina [ ]3212 Jednaina

[ ]3312 Jednaina

[ ]3412 500 25109886,0 22101302,0 17102587,0 1000 10106331,0 10108728,0 8107302,0 1500 510587,0 5101885,0 4101039,0 2000 2101371,0 3102892,0 3103926,0 2500 110381,0 2106037,0 2103391,0 3000 0,3417 1104628,0 1101472,0 3500 1,61 0,2 4115,0

Prethodne jednaine daju izraze za konstantu ravnotee pod pretpostavkom da se komponente ponaaju kao idealni plinovi. U tom sluaju one su izraene preko parcijalnih pritisaka reaktanata i produkata procesa sagorijevanja i zavise od temperature, tabela 12-7. S porastom temperature raste i konstanta ravnotee, to pokazuje da u tom sluaju proces disocijacije napreduje i sve je znaajniji na viim temperaturama. Stoga je potrebno dimne plinove stalno hladiti odvoenjem toplote da bi se njihov energetski potencijal ouvao i iskoristio za druge procese.

12-6 Kontrola sagorijevanja

Sagorijevanje je jedan tipian nepovratan proces, koji se odvija sa dosta gubitaka, shematski prikazan na slici 12-1. Gubitak goriva dogaa se na dva naina; prvi kada dio nesagorivog ugljika propada kroz reetku zajedno sa pepelom, a drugi se gubi kao a u dimnim plinovima. Teorijski, a i praktino, mogue je da C, H i CH4 ne sagore u potpunosti, naprimjer da C sagori u CO, a ne u CO2 i u tom sluaju oslobodi se manje toplote. Najvei gubitak koji se dogaa u toku procesa sagorijevanja jeste gubitak toplote koju odnose sa sobom dimni plinovi i ija temperatura moe biti via od 1500C.

Zato se ne ide na vee iskorienje toplote dimnih plinova za to ima dosta praktinih razloga, a neki su:


mala temperaturna razlika izmeu dimnih plinova i vode zahtijevala bi velike povrine za razmjenu toplote, to bi zahtijevalo vee investicije u kotao,

sniavanjem temperature dimnih plinova dogaao bi se kondenz vlage, koja bi reagirala sa SO, SO2, SO4 i NOx, pa bi nastale kiseline koje su vrlo korozivne za materijal kotla, itd.

Ako je limitirano snienje temperature dimnih plinova, onda se barem moe nastojati da njihova koliina bude to manja, to se postie sagorijevanjem uz minimalni viak zraka.

Stvarni volumen vlanih dimnih plinova koji nastaju sagorijevanjem 1kg goriva je

( )w,h,VV suh,dpvl,dp ++= 245120511

gorivakg

adimNm3. [ ]3812

Za stacionarni proces sagorijevanja moraju biti zadovoljena dva bilansa:

bilans za ugljenik

( ) ( ) 412212

1412212 42

,c

CHCOCOV,c

suh,dp ++= , [ ]3912

odakle je

42

8681

CHCOCO

c,V suh,dp ++

=

gorivakg

adimNm3 ; [ ]4012

bilans za duik

24122

28790 NV,

nV, suh,dpmin,zr =+ , [ ]4112

odakle je

min,zr

suh,dp

V,

n,NV

790

802

= . [ ]4212


Ukoliko se jednaine [ ]1712 , [ ]1812 i [ ]4012 uvrste u posljednju jednainu, dobija se izraz za koeficijent vika zraka

( )o,s,h,c,,

,

n,CHCOCO

Nc,

707060358681210

790

808681

42

2

++

++

= . [ ]4312

Ovaj vaan pokazatelj procesa sagorijevanja mogue je nai poznavajui analizu goriva i sastav dimnih plinova. Mjerenjima ili iskustveno potrebno je odrediti koeficijent , koji predstavlja iskorieni dio ugljenika iz goriva.

Slika 12-1 Shematski prikaz materijalnog bilansa u stvarnom procesu sagorijevanja

LOITE Vzr, stv.

(c + h + s + n + o + a+ w)

1 kg goriva

granica sistema (loita)

Vdp, stv. (SOX, NOX, H2O, O2,)

a + (1 - ) c

Pepeo + nesagoreni ugljenik


12-7 h-t dijagram dimnih plinova

Sagorijevanje goriva je proces pretvaranja hemijske energije goriva u toplotnu energiju, koja se moe iskoristiti kada se dimni plinovi i pepeo ohlade do neke tehniki ekonomske i opravdane temperature. Energetski sadraj pepela je zanemariv u odnosu na energiju dimnih plinova, stoga se panja usmjerava samo na dimne plinove i njihovu entalpiju. Dimni plinovi predstavljaju, priblino, mjeavinu idealnih plinova, tako da se njihova entalpija moe izraunati

dpmj,pdpdp tcmH = , [ ]4412

uz uvjet da im je entalpija za 00C jednaka nuli. Toplotni kapacitet dimnih plinova izraunava se prema pravilima za

idealne plinske mjeavine

22222222 COCO,pOHOH,pOO,pNN,pi

i

i,pmj,p gcgcgcgcgcc +++== .[ ]4512

Specifini toplotni kapaciteti komponenti u prethodnom izrazu koriste se kao srednje vrijednosti u intervalu temperature referentnog stanja t=00C i temperature dimnih plinova. Polazei od jednaina [ ]4412 i [ ]4512 mogue je za izabrano gorivo, koeficijent vika zraka i u odsustvu ili prisustvu procesa disocijacije, izraunati entalpiju dimnih plinova i prikazati je u zavisnosti od temperature dimnih plinova u h-t dijagramu.

Toplotna mo goriva njegovo je svojstvo i za svako gorivo posebno se pravi h-t dijagram u kojem se prikazuje entalpija dimnih plinova u zavisnosti od: temperature dimnih plinova, koeficijenta vika zraka, temperature predgrijavanja zraka, temperature predgrijavanja goriva i disocijacije komponenti u reakcionom prostoru.

Prema jednaini [ ]2912 predgrijavanje goriva dovodi do poveanja temperature sagorijevanja. Zbog toga se u h-t dijagramu ucrtava i pomoni dijagram entalpije predgrijanog goriva u ovisnosti o temperaturi predgrijavanja.

Presjek izoterme zraka, linije konstantnog koeficijenta vika zraka i entalpije predgrijanog zraka i goriva daje stanje koje odgovara teorijskoj ili adijabatskoj temperaturi sagorijevanja goriva, koje je oznaeno takom 1 na slici 12-2. Entalpija predgrijanog goriva i zraka prikazana je zbirom njihovih entalpija u obliku dui, to jest hzr+hgor. Entalpiju predgrijanog zraka odreuje presjek izoterme zraka i koeficijenta vika zraka i linija donje toplotne moi


goriva (hd). Entalpiju predgrijanog goriva odreuje normala na osu temperature u pomonom h-t dijagramu, slika 12-2.

U stvarnosti se tokom procesa sagorijevanja goriva javljaju gubici toplote zbog: zraenja plamena, nepotpunog sagorijevanja, neidealne termike izolacije loita kao i drugih sekundarnih procesa. Zbog svega navedenog stvarna temperatura dimnih plinova nia je od vrijednosti dobijene iz h-t dijagrama.

Ispod linije donje toplotne moi goriva nalazi se podruje u kojem se dimnim plinovima odvodi toplota. Odvoenje toplote odvija se linijom

.const= i za proces od stanja 1 do stanja 2, na slici 12-2, jeste

Slika 12-2 Shematski prikaz odreivanja teoretske temperature sagorijevanja pomou h-t dijagrama

hgor entalpija predgrijanog goriva hzr entalpija predgrijanog zraka

tg temperatura predgrijanog goriva tzr temperatura predgrijanog zraka

tzr = 1,6

= 1,4

= 1,2

= 1

hzr

1

hgor

tdp,1 tdp

tg

hgor

hgor

hd

h

h2 = h3

tdp,2 tdp,3


( ) ( )112212 ,dp,dp t,Pht,Phq = . [ ]4612

Projekcijom taaka 1 i 2 na apscisnu osu mogue je odrediti temperaturu dimnih plinova za navedeni proces. esto se dimni plinovi mijeaju sa zrakom. Ako je entalpija zraka male vrijednosti tada se proces mijeanja s dimnim plinovima praktino izvodi linijom konstantne entalpije, slika 12-2 (h2=h3), a stanje na kraju procesa definira se presjekom linije konstantne entalpije i linije poveanog zraka. Tokom mijeanja entalpija ostaje nepromijenjena, ali zato temperatura opada od tdp,2 do tdp,3. Opadanje temperature posljedica je energetskog sadraja komponenti koje grade novonastalu mjeavinu i ekstezivne osobine entalpije.

12-8 Uticaj produkata sagorijevanja na okolicu

Produkti sagorijevanja iz pokretnih izvora kao to su motori s unutarnjim sagorijevanjem, i nepokretnih izvora, kao to su industrijska postrojenja, sadre zagaivae, polutante, koji imaju veoma veliki negativan uticaj na okolicu, odnosno na opstanak i zdravlje individua u njoj. Aktualni trenutak na planeti Zemlji takav je da upravo zbog prekomjernog emitiranja polutanata putem produkata sagorijevanja ivot mnogih biljaka, ivotinja i ovjeka ozbiljno je ugroen. Naime, prema predvianjima, u narednom periodu moglo bi doi do ozbiljnih promjena klime na Zemlji, to bi moglo imati za posljedicu nestanak odreenog broja biljnih i ivotinjskih vrsta. Ako bi se svi procesi sagorijevanja ugljikovodikovih goriva odvijali pod teoretskim uvjetima, tada bi gorivo potpuno oksidiralo, bio bi osiguran toplotni tok s produktima sagorijevanja - ugljendioksid i vodena para. Meutim, teoretsko sagorijevanje veoma je rijetko, tako da se taj proces odvija u stvarnim uvjetima. U takvim uvjetima, zbog pojave neistoe u gorivu, nedovoljne kontrole odnosa gorivo-zrak, nepotpunog sagorijevanja i variranja temperature sagorijevanja, u produktima sagorijevanja javljaju se polutanti kao to su CO, NOx , SO2 i druge posebne materije. Prisustvo ugljenmonoksida (CO) u produktima sagorijevanja glavni je faktor u zranom zagaenju. To je plin bez boje i mirisa, koji izaziva fizioloke promjene u tkivu i u dovoljnim koliinama je smrtonosan. Ugljenmonoksid je meuprodukt i rezultat nepotpunog sagorijevanja ugljikovodikovih goriva sa zrakom ili kiseonikom. Kada je odnos gorivo-zrak ispod stehiometrijskih proporcija, tada je nedovoljno kiseonika za potpunu oksidaciju ugljika iz goriva, to rezultira i odreenom koliinom ugljenmonoksida u produktima sagorijevanja. ak i kada odnos gorivo-zrak nadmauje stehiometrijske proporcije, ugljenmonoksid se moe pojaviti u


produktima sagorijevanja zbog nedovoljnog mijeanja goriva i zraka u zoni sagorijevanja. Takoer, temperature sagorijevanja mogu biti dovoljno visoke, tako da se moe javiti proces disocijacije ugljendioksida u ugljenmonoksid. Vrijednosti za konstantu ravnotee (Kp), jednaina [ ]3212 , date u tabeli 12-7, pokazuju da e formiranje CO iz CO2 biti na temperaturama ispod 2000K. Ali, kako temperature u zoni sagorijevanja mogu biti i vee od navedene, disocijacija CO2 ne moe biti zanemarena. Kada se CO jedanput proizvede i emitira u atmosferu, on je veoma stabilan i s relativno dugim ivotom od nekoliko mjeseci prije nego oksidira u CO2. Sagorijevanjem ugljikovodikovih goriva sa zrakom proizvodi se i nekoliko duikovih oksida, kao to su: NO, N2O, NO2, N2O3 i N2O5. Mjeavina ovih oksida proizvedena procesom sagorijevanja obino se naziva NOx, to implicira njen nepoznat sastav. Ipak, samo NO, N2O i NO2 se proizvode tokom procesa sagorijevanja u dovoljnim koliinama da se mogu smatrati polutantima. Duikoksid (NO) bezbojan je plin prisutan u atmosferi u takvim koncentracijama da se ne moe smatrati zdrastvenim problemom. Meutim, on je poznat i aktivan sastojak u procesu formiranja smoga, i moe reagirati tako da formira NO2, crvenkasto-braon plin, koji je u visokim koncentracijama poznat po uticaju na respiratorni sistem ljudskih bia. Za temperature do oko 1000K konstanta ravnotee (Kp) pokazuje da formiranje NO iz diatomnog duika i kiseonika nije mogua. Na povienim temperaturama tipinim za konvencionalne procese sagorijevanja formiranje NO mogue je i dominantna je komponenta NOx mjeavine u produktima sagorijevanja. Kada se produkti sagorijevanja isputaju u okolicu, njihova temperatura naglo opada i NO postaje termodinamski nestabilan. Meutim, reakcije NO sa O2 da bi se formirao NO2 i dekompozicija NO na N2 i O2 ograniene su na niim temperaturama. Prema tome, koncentracija NO u produktima sagorijevanja bitno je zamrznuta na dostignutom nivou poslije visokih temperatura sagorijevanja. Ravnoteni sastav hemijskih reakcija upravljan je i odreen temperaturama koje se javljaju u toku tog procesa. Prema tome, logian put za reguliranje sastava produkata sagorijevanja na prvi pogled je jednostavan, to jest, treba regulirati temperaturu sagorijevanja pomou odnosa gorivo-zrak. Za stehiometrijski odnos gorivo-zrak dobija se maksimalna temperatura sagorijevanja i podstie formiranje NOx mjeavine. U stvarnim procesima sagorijevanja maksimalna ravnotena koncentracija NOx mjeavine javlja se s malim procentom vika zraka. S druge strane, kada odnos gorivo-zrak blago premauje stehiometrijske proporcije, smanjuje se prisustvo CO u produktima sagorijevanja. Takoer, ovakav odnos smanjuje koliinu nesagorivoga goriva u produktima sagorijevanja. Dakle, kada je odnos gorivo-zrak podeen na


minimalni iznos nesagorivog goriva i produkciju CO, uvjeti za nastajanje NOx mjeavine maksimalni su. Pored navedenih, ima i drugih faktora koji utiu na prisustvo polutanata u produktima sagorijevanja. Formiranje NO i prisustvo nesagorivog goriva u produktima sagorijevanja moe biti smanjeno sa zaostalim vremenom varnice u motorima s unutarnjim sagorijevanjem, ali to moe imati za posljedicu smanjenje snage motora. Zatim, odnos povrine cilindra prema volumenu komore sagorijevanja moe imati uticaj na koliinu polutanata u produktima sagorijevanja. Naime, kada se varnicom pokrene proces sagorijevanja, front plamena se kree kroz mjeavinu gorivo-zrak do zidova komore, koji su hlaeni vodom ili zrakom. Smjesa gorivo-zrak uz stijenke cilindra moe biti hlaena do takvog stepena da se front plamena ugasi, doputajui na taj nain sloj nezapaljenog goriva u cilindru, a koje se odstranjuje iz cilinrda tokom ispunog takta. Prema tome, smanjivanjem odnosa povrine cilindra prema volumenu komore za sagorijevanje smanjuje se koliina ugaenog ili nesagorivoga goriva u produktima sagorijevanja. Ipak, treba naglasiti da navedene modifikacije imaju svoja ogranienja i istovremeno mogu imati znaajan uticaj na utroak goriva i snagu motora.

thermodynamics, termodinamika, nagib neimarlija ch 12

Documents