LABORATORIUM PODSTAW SPALANIA

Instytut Techniki Cieplnej, Politechnika Śląska, Gliwice

1

Dopalanie termiczne mieszanin ubogich

Wstęp

W wielu technologiach przemysłowych występują gazy odpadowe składające się z przeważającej

masy powietrza oraz śladowych ilości substancji palnej. Gazy takie nazywa się mieszaninami ubogimi.

Przykładem takiej technologii jest górnictwo węgla kamiennego, w którym występują duże strumienie

powietrza wentylacyjnego zawierającego śladowe ilości metanu. Pomimo tego, że stężenie metanu w

gazach wentylacyjnych jest dużo niższe od dolnej granicy palności, to strumień energii chemicznej

tracony w ten sposób jest częstokroć na tyle duży, że wystarczyłby do pokrycia własnych potrzeb

energetycznych kopalni.

Spalanie mieszanin ubogich w palnikach o tradycyjnej konstrukcji jest niemożliwe ze względu na

zbyt niskie stężenie substancji palnej. Najłatwiejszym sposobem utylizacji tego typu gazów odpadowych

jest wykorzystanie ich jako utleniacza podczas spalania pełnowartościowego paliwa, jednak takie

rozwiązanie jest często nieuzasadnione technicznie lub ekonomicznie. Możliwe jest również

zastosowanie technik spalania katalitycznego, które jednak częstokroć okazują się techniką zbyt drogą i

eksploatacyjnie zbyt skomplikowaną. W wielu przypadkach najkorzystniejsze jest wykorzystanie metod

spalania autotermicznego. Na rysunku 1 przedstawiono ideę takiej technologii. Podczas dopalania

autotermicznego świeża mieszanka przepływając przez powierzchnię wymiany ciepła ogrzewa się

pobierając ciepło od spalin. W rezultacie podgrzewania rozszerzają się granice palności mieszanki, dzięki

czemu możliwe jest uzyskanie stabilnego płomienia nawet przy stosunkowo niskiej wartości kalorycznej

mieszanki [1].

T

o

W

d

T

T

c

p

W

d

c

p

L

L

a)

b)

ciepło rekuperacji

Rys.1. Przebieg temperatury podczas procesu a, spalania klasycznego; b, dopalania autotermicznego

Przykład urządzenia technicznego wykorzystującego ten efekt przedstawia rysunek 2. W urządzeniu

tym świeża mieszanka płynąc rurą centralną odbiera przeponowo ciepło od spalin powstałych w wyniku

LABORATORIUM PODSTAW SPALANIA

Instytut Techniki Cieplnej, Politechnika Śląska, Gliwice

2

jej spalania. Wartość temperatury mieszanki na dopływie do palnika zależy od stopnia rozbudowania

powierzchni wymiany ciepła oraz wytrzymałości materiałów konstrukcyjnych.

spaliny

spaliny

mieszanka palna

Rys.2. Schemat prostego urządzenia do dopalania autotermicznego

Celem ćwiczenia jest zbadanie wpływu rekuperacji ciepła na rozszerzenie granic palności mieszanki

gazowej.

Opis stanowiska

Schemat stanowiska badawczego wykorzystywanego w realizacji niniejszego ćwiczenia przedstawia

rysunek 3. Gaz ziemny sieciowy dopływa poprzez rotametr do rury stalowej, gdzie miesza się ze

strumieniem powietrza dopływającym z sieci sprężonego powietrza poprzez drugi rotametr pomiarowy.

Powstała mieszanina płynie rurą wykonaną ze stali nierdzewnej, której końcówka umieszczona jest w

otworze wywierconym w stalowym masywnym walcu. W sytuacji, w której front spalania ustala się na

wylocie z rury stalowej w przestrzeni pomiędzy rurą a otworem walca płyną gorące spaliny, które

przekazują ciepło poprzez ściankę rury do świeżej mieszanki. W powyższych warunkach mieszanka

dopływająca do strefy spalania jest wstępnie podgrzana dzięki czemu granice jej palności są rozszerzone

w porównaniu z mieszanką zimną.

paliwo gazowe

mieszanka palna

1

powietrze

1

2

3

4

spaliny

5

6

Rys.3. Schemat stanowiska pomiarowego. 1, zawór regulacyjny; 2, rotametr; 3, rura ze stali nierdzewnej; 4, walec
stalowy; 5, płomień; 6, podstawa walca

Przebieg ćwiczenia

Przed przystąpieniem do ćwiczenia sprawdź prawidłowość połączeń przewodów gazowych, a

następnie wykonaj poniższe czynności:

LABORATORIUM PODSTAW SPALANIA

Instytut Techniki Cieplnej, Politechnika Śląska, Gliwice

3

1) odkręć zawór gazowy w takim stopniu, by pływak rotametru znajdował się na górnym końcu skali

pomiarowej, zapal wydobywający się gaz,

2) odkręć zawór powietrza i ustaw jego przepływ na wartość maksymalną skali rotametru,

3) w odstępach 2 minutowych delikatnie zmniejszaj przepływ gazu. Czynność tą powtarzaj aż do

zgaśnięcia płomienia,

4) powtarzaj punkty 1-3 dla mniejszych przepływów powietrza,

5) zgłoś prowadzącemu prośbę o zmianę walca stalowego. Czynności tej nie wykonuj sam ze względu

na wysoką temperaturę walca.

Po zakończeniu pomiarów zakręć zawory powietrza oraz gazu, a następnie zgłoś prowadzącemu

zakończenie pomiarów. Wyniki pomiarów zapisz w tabeli 1.

Tab. 1. Wyniki pomiarów spalania ubogiego

Lp

g

V&

,

m

3

/h

p

V&

,

m

3

/h

Obecność płomienia

1

2

Opracowanie wyników

Dla każdego z punktów pomiarowych oblicz stosunek nadmiaru powietrza korzystając z zależności:

min

a

g

a

n

V

V

⋅

=

λ

&

&

(1)

gdzie:

a

V& -

strumień powietrza,

s

m

3
n

g

V&

- strumień gazu,

s

m

3
n

n

amin

- minimalne zapotrzebowanie powietrza do spalania

Dla obliczenia n

amin

przyjmij, że gaz sieciowy składa się średnio z 92 % metanu oraz 8 % azotu. Oblicz

całkowity strumień gazu:

g

a

c

V

V

V

&

&

&

+

=

(2)

Narysuj wykres zależności

)

V

(

c

&

λ

=

λ

, który powinien mieć maksimum. Na wykresie zaznacz dolną

granicę palności mieszaniny powietrzno-metanowej.

Literatura

[1] Weinberg F.: Advanced Combustion Methods, Academic Press, London, 1986