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