1

1.1.

Badanie wpływu zmiany wartości współczynnika

λλλλ

na jakość procesu spalania

1.1.1.

Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zbadanie wpływu zmiany wartości współczynnika

λ

na sprawność kotła i skład emitowanych spalin.

1.1.2.

Wprowadzenie teoretyczne

P

ROCES SPALANIA

Spalaniem nazywa się proces gwałtownego utleniania składników palnych

zawartych w paliwie, któremu towarzyszą egzotermiczne efekty cieplne. Proces ten

powinien przebiegać w wysokich temperaturach. Warunki, jakie powinny być

spełnione, aby zagwarantować prawidłowy przebieg procesu, są następujące:

*

dobre wymieszanie paliwa z powietrzem w taki sposób, aby wszystkie

części palne znalazły w swoim otoczeniu dostateczną ilość tlenu niezbędną do ich

całkowitego i zupełnego spalenia,

*

dostateczne podgrzewanie tworzącej się mieszaniny paliwowo-

powietrznej do temperatury odpowiadającej temperaturze zapłonu.

Konstruowanie palenisk powinno zatem przebiegać w taki sposób, aby oba

powyższe warunki spełnione były możliwie optymalnie. Warunki te uzasadniają

podział palenisk na paleniska do spalania paliw stałych, ciekłych i gazowych.

Paleniska do spalania paliw gazowych będą zawsze paleniskami komorowymi,

w których gaz jest spalany przy użyciu różnego rodzaju palników. Podobnie będzie w

przypadku palenisk do spalania paliw ciekłych, natomiast paleniska do spalania paliw

stałych mogą być wyposażone w różnego rodzaju ruszty.

Ze względu na różne sposoby dostarczania powietrza potrzebnego do spalania

rozkład gęstości strumienia powietrza w komorze będzie niejednorodny i z reguły nie

odpowiadający jego lokalnemu zapotrzebowaniu. W tych warunkach wytworzenie

2

mieszaniny paliwowo-powietrznej o składzie zapewniającym całkowite i zupełne

spalenie, nawet przy dostarczeniu dostatecznej ilości powietrza, będzie bardzo

utrudnione. Dlatego też, aby wyrównać lokalne niedobory powietrza, dostarcza się go

w nadmiarze. Niezbędny nadmiar powietrza musi być tym większy, im trudniej dla

danego rodzaju paliwa i w danym palenisku uzyskać jego równomierny rozdział.

Stosunek rzeczywistej ilości powietrza dostarczanego do komory spalania do

teoretycznej jest oznaczony literą

λ

i nazywa się stosunkiem nadmiaru powietrza

λ

=

=

=

P

P

n

n

n

n

rz

t

a

a

o

o

'

'

min

min

λ

>

1

gdzie:

P

rz

, n’

a

- ilość powietrza rzeczywiście dostarczona do komory

spalania w

m

m

3

3

pow.

kg pal.

lub

pow.

m gazu

3

kmol pow.

kmol pal.









 ,

n’

o

- ilość tlenu rzeczywiście dostarczona do komory spalania,

P

t

,

n

amin

- minimalna ilość powietrza potrzebna do spalenia paliwa w

warunkach spalania całkowitego i zupełnego (teoretyczna

ilość powietrza),

n

omin

- minimalna ilość tlenu (teoretyczna ilość tlenu).

Największy nadmiar wystąpi niewątpliwie przy spalaniu paliw stałych

w paleniskach warstwowych (rusztowych). Znacznie lepsze warunki mieszania paliwa

z powietrzem wystąpią przy spalaniu paliw ciekłych, a jeszcze lepsze przy spalaniu

paliw gazowych. Stosunek nadmiaru powietrza nie powinien być ani nadmiernie duży,

ani zbyt mały. Zwiększanie ilości powietrza powoduje zwiększanie się ilości spalin,

bowiem cały nadmiar dostarczonego powietrza jako niewykorzystany przechodzi do

spalin zwiększając ich strumień, co z jednej strony obniża temperaturę spalania, a z

drugiej

zwiększa

entalpię

spalin

odprowadzanych

do

otoczenia. Zmniejszenie ilości dostarczanego do spalania powietrza może z kolei

doprowadzić do wystąpienia spalania niezupełnego, ujawniającego się nadmierną

zawartością tlenku węgla w spalinach. W każdych konkretnych warunkach

3

określanych rodzajem paliwa i konstrukcją paleniska (palnik, komora spalania) należy

dobrać taką optymalną wartość stosunku nadmiaru powietrza

λ

, która zapewni

minimalną stratę energii(tzw. strata wylotowa) przy równoczesnym nie przekroczeniu

dopuszczalnej określonej odpowiednimi normami granicy zawartości tlenku węgla w

spalinach. stosowane wartości

λ

, dla różnych warunków organizacji procesu spalania

paliw, wynoszą:

dla kotłów pyłowych

λ

= 1,2-1,3

dla kotłów rusztowych ruchomych

λ

> 1,3

dla kotłów gazowych i olejowych

λ

→

1.

M

AKSYMALNY UDZIAŁ

CO

2

W SPALINACH SUCHYCH

Jest on wyrażany wzorem:

[

]

CO

n

n

CO

ss

2

1

2

max

"

"

=













=

λ

gdzie:

[

]

CO

2 max

- maksymalna zawartość dwutlenku węgla w spalinach

n

CO

"

2

- liczba

kilomoli

dwutlenku

węgla

w

spalinach

( )

kmol CO

2

kg m pal.

3

















n

ss

"

- liczba kilomoli spalin suchych

Ponieważ w warunkach spalania zupełnego i całkowitego z minimalną ilością

powietrza

λ

=1 składnikami spalin suchych będą jedynie dwutlenek węgla, dwutlenek

siarki i azot, wartość

[

]

CO

2 max

będzie zależna jedynie od składu paliwa i jest jego

funkcją

[

]

CO

n

n

n

n

n

n

n

CO

CO

N

C

C

N

O t

2

2

2

2

2

2

79

21

max

"

"

"

'

'

'

'

=

+

=

+

+

gdzie:

4

[

]

CO

2 max

- maksymalna zawartość dwutlenku węgla w spalinach,

n

CO

"

2

- liczba kilomoli dwutlenku węgla w spalinach,

n

N

"

2

- liczba kilomoli azotu w spalinach,

n

C

'

- liczba kilomoli węgla w substratach procesu spalania,

n

N

'

2

- liczba kilomoli azotu w substratach procesu spalania,

n

O t

'

2

- teoretyczne zapotrzebowanie na tlen.

S

KRÓCONA INSTRUKCJA OBSŁUGI ANALIZATORA

T

ESTO

33.

[10]

Przed uruchomieniem analizatora należy sprawdzić połączenie linii analizator-

komputer, zasilacza i sondy pomiarowej oraz sprawdzić położenie zwory celi tlenowej

(czerwone pokrętło pod częścią wyświetlającą analizatora), sprawdzić podłączenie

drukarki i jej zasilanie, a następnie skalibrować go i w opcji „rodzaj paliwa”

(brennstoff) menu analizatora podać rodzaj paliwa:

R

ODZAJ PALIWA

Heizöl

olej opałowy

Erdgas

gaz ziemny

Flüssiggas

gaz ciekły (propan-butan)

Holz/Koks

drewno/koks

Brikett

brykiety

Braunkohle

węgiel brunatny

Steinkohle

węgiel kamienny

Kokereigas

gaz koksowniczy

Stadtgas

gaz miejski

Prüfgas

gaz czadnicowy

Po wykonaniu tych czynności analizator jest gotowy do pracy - rozpoczęcie i

zakończenie analizy dokonuje się za pomocą przycisku „start-stop” na części

wyświetlającej analizatora.

Przy wykorzystywaniu komputera do zapisywania wyników pomiarów należy z

poziomu Windows uruchomić aplikację TESTO, a następnie skonfigurować program

do współpracy z analizatorem. W tym celu należy wybrać z menu opcję

5

„einstellungen”, skąd przez funkcję „gerateauswahl” podać rodzaj urządzenia ( testo

33) i przetestować połączenie. Po pojawieniu się na ekranie ikony części sterującej,

zapis inicjuje się przyciskiem „start” (po wystartowaniu zapisu podać rodzaj

prezentacji danych „tabele”), zatrzymuje się przyciskiem „stop”, natomiast

kontynuowanie zapisu po przerwie - przyciskiem „weiter”.

Przy wykonywaniu pomiarów należy uważać na ilość tlenku węgla w spalinach

(zakres analizatora automatycznego - 8000 ppm), a przy małym współczynniku

nadmiaru powietrza kontrolować na bieżąco wskazania CO, a przy przekroczeniu

zakresu (8000 ppm) przewentylować analizator aż do osiągnięcia 0 ppm (w przypadku

przekroczenia powyżej 15000 ppm przewentylować analizator przez ok. 5 min. I na

nowo skalibrować).

Po zakończeniu pomiarów analizatorem automatycznym wydrukować wyniki

pomiarów lub zapisać je na dyskietkę (opcja - „datei”; zapis - „speichern”; drukowanie

- „drucken”).

W przypadku korzystania z drukarki zapisywać czas wprowadzania do pamięci

poszczególnych protokołów i/lub drukować je na papierze.

Przekazywanie danych z drukarki do komputera z pośrednictwem sprzęgu

szeregowego, części wyświetlającej i oprogramowania (opcja „laden”).

Po zakończeniu pomiarów zewrzeć celę tlenową (położenie zwory „0”), wylać

wodę z filtra na wężu sondy i naładować akumulatory.

6

Dane techniczne obsługi analizatora Testo 33

Pomiar temperatury Zakres pomiarowy

-40...+1200

°

C

Max Błąd

0,5

°

C (-40...+100

°

C)

±

0,5% (pow. +100

°

C)

Pomiar O

2

Zakres pomiarowy

0...21 obj.%

Max Błąd

0,1 obj.%

Pomiar CO

2

Zakres pomiarowy

0...CO

2max

Max Błąd

0,2 obj.%

Pomiar CO

Zakres pomiarowy

0...20.000ppm

Max Błąd

±

20 ppm (do 400 ppm)

±

5 % (do 2000 ppm)

±

10 % (od 2000 ppm)

Pomiar NO

Zakres pomiarowy

0...2000 ppm

Max Błąd

±

20 ppm (do 400 ppm)

±

5 % (od 400 ppm)

Pomiar NO

2

Zakres pomiarowy

0...100 ppm

Max Błąd

±

10 ppm

Pomiar SO

2

Zakres pomiarowy

0...2000 ppm

Max Błąd

±

20 ppm (do 400 ppm)

±

5 % (od 400 ppm)

W

YZNACZANIE WSPŁÓCZYNNIKA NADMIARU POWIETRZA

Współczynnik nadmiaru powietrza można wyznaczyć na podstawie zawartości

dwutlenku węgla w spalinach

[

]

CO

2

korzystając ze wzoru:

[

]

[

]

λ

=

CO

CO

2

2

max

gdzie:

[

]

CO

2 max

- maksymalna zawartość dwutlenku węgla w spalinach

obliczona ze wzoru na

[

]

CO

2 max

7

n

CO

"

2

- liczba kilomoli dwutlenku węgla w spalinach,

Jak widać, przy znanej zawartości

[

]

CO

2 max

, której wcześniejsze obliczenie

wymaga znajomości składu paliwa, do ruchowego wyznaczenia

λ

wystarczy jedynie

oznaczenie zawartości

[

]

CO

2

w spalinach.

Współczynnik nadmiaru powietrza można również wyznaczyć na podstawie

zawartości tlenu w spalinach

[ ]

O

2

korzystając ze wzoru:

[ ]

[ ]

λ

=

−

=

−

0 21

0 21

21

21

2

2

,

,

%

O

O

gdzie:

[ ]

O

2

- zawartość tlenu w spalinach

[ ]

O

2 %

- procentowa zawartość tlenu w spalinach

Wzór ten pozwala na ruchowe określenie współczynnika

λ

wyłącznie

na podstawie pomiaru zawartości tlenu

[ ]

O

2

w spalinach suchych, bez znajomości

składu paliwa. Przy ciągłym pomiarze zawartości

[ ]

O

2

istnieje możliwość ciągłej

kontroli

λ

.

1.1.3.

Sposób wykonania ćwiczenia

na podstawie składu paliwa wyznaczyć

[

]

CO

2 max

analizatorem spalin dokonać pomiaru składu spalin dla pięciu nastaw ilości

powietrza

wyznaczyć wartość współczynnika

λ

na podstawie pomiarów

[

]

CO

2

i

[ ]

O

2

określić w jaki sposób zależy skład spalin od wartości współczynnika

λ