03. Poglavlje, Gorivo i Izgaranje

Prof. dr. sc. Z. Prelec BRODSKI ENERGETSKI UREðAJI Poglavlje: 3

(Gorivo i izgaranje) List: 1 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

GORIVO I IZGARANJE

TEKUĆE GORIVO – GLAVNE OSOBINE � Loživo ulje: lako, srednje, teško � Toplinska vrijednost: količina topline koja se razvije potpunim izgaranjem

jedinice mase goriva.

• Gornja toplinska vrijednost (Hg) uključuje toplinu

kondenzacije vodene pare u dimnim plinovima, koja nastaje iz

sadržane vlage u gorivu te izgaranjem vodika iz goriva.

• Donja toplinska vrijednost (Hd) manja je u odnosu na gornju

toplinsku vrijednost za toplinu kondenzacije vodene pare u dimnim

plinovima.

SO

HCg mm

mmH 105008

14250034000 +

−+= (kJ/kg)

WSO

HCd mmm

mmH 2500105008

12000034000 −+

−+= (kJ/kg)

)mm(HH WHdg −=− 92500

gdje su:

mC, mH, mS, mO, mW – maseni udjeli (kg/kg) ugljika, vodika, sumpora, kisika i

vlage u gorivu.

- Za uobičajene vrste tekućeg goriva (loživo ulje):

Hd=39000 do 42000 (kJ/kg).



� Gustoća (ρ) smanjuje se s povećanjem temperature, odnosno:

)t(

t201

20

−β+ρ

=ρ (kg/m3)

gdje je:

- ρ20 – gustoća kod 20 0C

- β (K-1

) – koeficijent volumnog toplinskoga širenja:

1000

002000250ρ

−=β ,, (K-1)

� Viskoznost – kinematska (ν)

odreñuje tečljivost goriva, a važna je za odreñivanje temperature

zagrijavanja pri cjevovodnom transportu i raspršivanju u

plamenicima.

- Za cjevovodni transport (pumpanje):

ν=800x10-6

do 1000x10-6

(m2/s)

- Za raspršivanje u plamenicima:

ν=20x10-6

do 40x10-6

(m2/s).

� Sadržaj štetnih elemenata

sumpor (S), vanadij (V), natrij (Na)

- Sumpor – uzročnik emisije štetnih plinova (SOx),

- uzročnik nisko-temperaturne korozije zbog kondenzacije

sulfatne kiseline (kod temperature120 - 150 0C):

S+O2= SO2→(5-10%)SO3

SO3+H2O=H2SO4 → n.t. korozija!!!



- Vanadij (V) i natrij (Na) – uzročnici visoko-temperaturne

korozije što nastaje na metalnim dijelovima koji

imaju radnu temperaturu (500 – 650 0C) na kojoj

može doći do taljenja odnosno lijepljenja nisko-

talivih eutektika spojeva V i Na.

V2O5→(disocijacija) V2O3+O2 → v.t. korozija!!!

- Temperatura paljenja (plamište) – temperatura na kojoj se razvija dovoljno plinovitih spojeva da se uz prisutnost

plamena zapale.

Ovo je svojstvo važno za definiranje uvjeta sigurnosti

pri skladištenju goriva.

tpl=60 do 125 0C (za loživa ulja).

- Temperatura samopaljenja – temperatura pri kojoj dolazi do

paljenja bez prisustva plamena i nastavka gorenja.

tp=500 do 600 0C (za loživa ulja).

- Sadržaj vlage – uzrokuje: emulgiranje, čepljenje filtera,

smanjenje donje toplinske vrijednosti, n.t. koroziju.

- Koksni broj – pokazuje sklonost goriva da stvara koksne

naslage (smetnje pri rasprskavanju goriva).

- Sadržaj asfaltena – daje indikaciju mogućih pogonskih

problema zbog taloga u spremnicima, povečane

viskoznosti (smetnje pri raspršivanju), nepotpuna

izgaranja, emisije neizgorenih čestica.

- Temperatura stinjavanja – temperatura na kojoj gorivo

gubi svojstvo tekućega fluida (prestaje biti tečno).

(zavisno o vrsti goriva, sadržaju parafina).



SASTAV TEKUĆIH GORIVA (LOŽIVIH ULJA)

- Ugljik (C): 82 – 89 % - Vodik (H): 10 – 14 % - Sumpor (S): 1 – 4 % - Dušik + kisik (N+O): 0,5 do 3 % - Pepeo (A): 0,01 do 0,05 % - Vlaga (W): 0,1 do 0,5 %

STEHIOMETRIJSKE JEDNADŽBE IZGARANJA

Osnovne jednadžbe za proučavanje statike izgaranja koje se temelje na

Avogardovom i Daltonovom zakonu.

Na temelju tih jednadžbi odreñuje se potrošnja kisika (zraka) za izgaranje

kao i količina produkata izgaranja.

� Ugljik: C + O2 → CO2 + QCO2

1 kmol C + 1kmol O2 → 1 kml CO2 + 406800 kJ 12 kg C+ 32 kg O2 → 44 kg CO2 + 406800 kJ 12 kg C + 22,4 mN

3O2 → 22,4 mN3 CO2 + 406800 kJ

1 kg C + 1,866 mN

3O2 → 1,866 mN3 CO2 + 33900 kJ

� Vodik: H2 + ½ O2 → H2O + QH20 1 kmol H2 + ½ kmol O2 → 1 kmol H2O + 239400 kJ 2 kg H2 + 16 kg O2 → 18 kg H2O + 239400 kJ 2 kg H2 + ½ x 22,4 mN

3O2→22,4 mN3 H2O + 239400 kJ

1 kg H2 + 5,6 mN

3O2→ 11,2 mN3 H2O +119700 kJ



� Sumpor: S + O2 → SO2 + QSO2

1 kmol S + 1 kmol O2 → 1 kmol SO2 + 298700 kJ 32 kg S + 32 kg O2→ 64 kg SO2 + 298700 kJ 32 kg S + 22,4 mN

3O2→22,4 mN3SO2 + 298700 kJ

1 kg S + 0,7 mN

3O2→ 0,7 mN3 SO2 + 9330 kJ

� Nepotpuno izgaranje: C + ½ O2 → CO + QCO

1 kmol C + ½ kmol O2 → 1 kmol CO + 122400 kJ 12 kg C + ½ x 32 kg O2 → 28 kg CO + 122400 kJ 12 kg C + ½ x 22,4 mN

3O2→22,4 mN3 CO + 122400 kJ

1 kg C + 0,933 mN

3O2→ 1,866 mN3 CO + 10200 kJ

Napomena: U gornjim stehiometrijskim jednadžbama uzete su u obzir zaokružene

veličine molekularnih masa pojedinih spojeva, kao i idealni molarni

volumen 22,4 m3, što važi za idealne plinove.

Greške takve aproksimaije su zanemarive za praktične proračune.



KOLIČINA ZRAKA ZA IZGARANJE

� Minimalna količina kisika za izgaranje:

2

27065871

O

OSHCmin,O

mm,m,m,V

ρ−++= (mN

3/kgG)

OSHCmin,O m,m,m,m,V 7070658712

−++= (mN3/kgG)

SO

HCmin,O m,)m

m(,m,V 708

658712

+−+= (mN3/kgG)

� Minimalna količina zraka za izgaranje:

210

2

,

VV

min,O

min,zr = (mN3/kgG)

� Stvarna količina zraka za izgaranje:

min,zrzr VV λ= (mN3/kgG)

� Višak zraka za izgaranje:

min,zrmin,zrmin,zrzrzr VVVVV −λ=−=∆

min,zrzr V)(V 1−λ=∆ (mN

3/kgG)



� Koeficijent viška zraka za izgaranje:

min,zr

zr

V

V=λ

Veličina koeficijenta viška zraka za izgaranje zavisi od:

- vrsti goriva

- pripremi goriva

- konstrukciji ložišta

- izvedbi ureñaja za izgaranje

Koeficijent viška zraka za izgaranje utječe na:

- izlazne gubitke osjetne topline dimnih plinova (veći λ →veća količina dimnih plinova →veći gubitak izl. topline)

- intenzivnost nisko-temperaturne korozije (veći λ →veći udjel SO2 oksidira u SO3→intenzivnija n.t. korozija)

VRSTA GORIVA I UREðAJA ZA LOŽENJE λ - Kruto gorivo, ravna i nepomična rešetka 1,6 – 2,0

- Kruto grivo, pokretna ravna ili kosa rešetka 1,5 – 1,8

- Ugljena prašina, izgaranje u letu 1,2 – 1,4

- Tekuće gorivo (loživo ulje) 1,05 – 1,2

- Plinovito gorivo 1,02-1,05



PRODUKTI IZGARANJA

� Sastojci dimnih plinova izgaranja:

CO2, H2O, SO2, N2, O2

� Količina suhih dimnih plinova izgaranja:

2222 ONSOCOs,pl VVVVV +++= (mN

3/kgG)

min,zrmin,zrNSCs,pl V)(,V,m,m,m,V 12107908070871 −λ+λ+++=

� Količina vodene pare:

)mm(,,

)mm(V wHWHOH +=+= 924118

4229

2 (mN

3/kgG)

� Ukupna količina dimnih plinova:

02Hs,plpl VVV += (mN3/kgG)

)mm(,V)(,V,m,m,m,V wHmin,zrmin,zrNSCpl ++−λ+λ+++= 924112107908070871



� Sastav dimnih plinova:

CCO m,V 8712= (mN

3/kgG) ; pl

CO

COV

Vr 2

2=

)(, wHOH mmV ++++==== 92412

(mN3/kgG) ;

pl

OH

HOV

Vr 2

2=

SSO m,V 702= (mN

3/kgG) ; pl

SO

SOV

Vr 2

2=

min,zrNN V,m,V λ+= 790802

(mN3/kgG) ;

pl

N

NV

Vr 2

2=

min,zrO V)(,V 12102

−λ= (mN3/kgG) ;

pl

O

OV

Vr 2

2=

1

22222====++++++++++++++++ ONSOOHCO rrrrr



GUSTOĆA DIMNIH PLINOVA

∑ ρ=ρi

iipl r (kg/m3)

2222222222 OONNSOSOOHOHCOCOpl rrrrr ρ+ρρ+ρ+ρ=ρ + (kg/m3)

)t(

po,pl)t,p(pl +

ρ=ρ273

273

101330 (kg/m3)

gdje je: - ρpl(p,t) – gustoća plinova kod tlaka (p) i temeprature (t)

- ρpl,0 – gustoća plinova kod normalnoga stanja okoline

- p – tlak dimnih plinova (Pa)

- t – temperatura dimnih plinova (0C)

SPECIFIČNA TOPLINA DIMNIH PLINOVA

∑=i

i,pipl,p CrC (kJ/mN3K)

2222222222 O,pON,pNSO,pSOOH,pOHCO,pCOpl,p CrCrCrCrCrC +++= +

12

102012

2

1 tt

tCtCC

tpl,p

tpl,pt

tpl,p −

−= (kJ/mN

3K)



ENTALPIJA DIMNIH PLINOVA

Sadržaj topline (entalpija) dimnih plinova se, radi prilagoñivanja

toplinskom proračunu generatora pare, svodi na količinu plinova koja

nastaje iz jedinice mase (kg) korištena goriva.

tCVhVH ti,p

i iiiipl 0∑ ∑== )

kg

kJK

Km

kJ

kg

m(

G3NG

3N =

2222222222 OONNSOSOOHOHCOCOpl hVhVhVhVhVH ++++++++++++++++==== (kJ/kgG)

� Dijagram promjene sadržaja topline dimnih plinova ovisno o temperaturi i pretičku zraka za izgaranje

Hpl

(kJ/kgG)

tpl (0C)

λ=1,0

λ=1,1

λ=1,2

λ=1,3

λ=1,4



KONTROLA PROCESA IZGARANJA Pod kontrolom procesa izgaranja podrazumijeva se podešavanje

koeficijenta pretička zraka (λ) na način da se postignu optimalni uvjeti pri

kojima će se postići minimalni gubici.

Kontrola procesa izgaranja izvodi se temeljem analize dimnih plinova.

� Ostwald-ov trokut izgaranja (proračun veličina za definiranje Ostwald-ova trokuta)

Ostwald-ov trokut služi za kontrolu procesa izgaranja na bazi sastava

dimnih plinova, koji se utvrñuje njihovom analizom.

• Volumen suhih dimnih plinova pri potpunome izgaranju:

2222 NOSOCOs,pl VVVVV +++= (mn

3/kgG)

• Volumen suhih dimnih plinova pri nepotpunome izgaranju:

2222 NOSOCOCOs,pl VVVVVV ++++= (mn

3/kgG)

• Sastav suhih dimnih plinova pri potpunom izgaranju:

1222

=++ s,Os,Ns,CO rrr

• Sastav suhih dimnih plinova pri nepotpunome izgaranju:

1222

=+++ s,Os,Ns,COs,CO rrrr



s,plCOs,CO V:V:r22

1= → s,pl

C

s,pl

CO

COV

m,

V

Vr

8712

2==

min,s,pl

Cmax,s,CO

V

m,r

8712

= → s,pl

min,s,pl

max,s,CO

s,CO

V

V

r

r=

2

2

• Minimalni volumen suhih dimnih plinova:

min,zrNSCmin,s,pl V,m,m,m,V 7908070871 +++= (mn3/kgG)

• Udjel kisika u suhim dimnim plinovima:

s,pl

min,zr

s,pl

O

s,OV

V)(,

V

Vr

12102

2

−λ==

min,zrmin,s,pls,pl V)(VV 1−λ+=

min,zrmin,s,pls,pl V)(VV 1−λ=−

s,pl

min,s,pls,pl

s,OV

)VV(,r

−=

210

2

)V

V(,r

s,pl

min,s,pl

sO ,−= 1210

2

)r

r(,r

max,s,CO

s,CO

s,O

2

2

21210 −= → )

r

r(r

max(%),s,CO

(%)s,CO

(%)s,O

2

2

2121 −=



Jednadžba pravca potpunoga izgaranja u segmentnome obliku u koordinatnome sustavu: rO2,s(%) , rCO2,s(%)

121

2

22 =+max(%),s,CO

(%)sCO(%)s,O

r

rr,

• Minimalna količina suhih dimnih plinova uz pretpostavku nepotpuna

izgaranja, odnosno C→CO:

min,Omin,Omin,zrNSCmin,s,pl 'VVV,m,m,m,'V −++++= 7908070871

• Maksimalni udjel CO u suhim dimnim plinovim kada C→CO:

min,s,pl

Cmax,CO

'V

m,r

871= → 100

871

min,s,pl

Cmax(%),CO

'V

m,r =

• Minimalna količina kisika koja je potrebna kada C→CO:

SO

HCmin,O m,)m

m(,m,'V 708

659330 +−+= (mN3/kgG)

• Udjel kisika u suhim dimnim plinovima koji ostaje neutrošen

kada C→CO:

1002

min,s,pl

min,Omin,O(%)s,O

'V

'VV'r

−=

VCO VSO2 VN2 Višak kisika koji je ostao

neutrošen jer C→CO,

umjesto C→CO2.



� Iz Ostwald-ova trokuta izgaranja, koji je konstruiran na temelju sastava

goriva, iz izmjerenoga udjela kisika (rO2,s(%)) i ugljičnoga dioksida

(rCO2,s(%)) u dimnim plinovima, odreñuje se koeficijent pretička zraka (λ) i

udjel ugljičnoga monoksida (rCO,s(%)).

� Za pogonske proračune može se, za tekuće gorivo (loživo ulje), koristiti

sljedeća približna relacija:

(%)s,Or 221

21

−≅λ

5 10 15 20 21

1,0

0,9

0,8

0,7

0,6

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

5

10

1/λ

λ>1

λ<1

Linija nepotpuna izgaranja uz λ=1

Linija potpuna izgaranja uz λ>1

rCO2,s,max(%)

rCO2,s(%)

rO2,s(%)

r'O2,s(%)

rCO,s,max(%)

rCO,s(%)

rCO,s(%)=0



PROCESNI ANALIZATOR KISIKA

• Analizator na bazi paramagnetičnih svojstava kisika

N

S

R1

R2

R4

R3

mV(%O2) Dimni

plinovi

O2

O2

03. Poglavlje, Gorivo i Izgaranje

Documents

Transcript of 03. Poglavlje, Gorivo i Izgaranje