NOWOCZESNE KADRY DLA NOWOCZESNEJ ENERGETYKI

POKL.04.01.02-00-130/12

Projekt współfinansowany ze środków

Unii Europejskiej w ramach

Europejskiego Funduszu Społecznego

materiały dydaktyczne dla przedmiotu

NAZWA PRZEDMIOTU

NAZWA PRZEDMIOTU

przygotowane w ramach projektu

Reakcje spalania

Reakcje spalania

1. Alkany, alkeny i alkiny i areny, które wchodzą w

skład paliw ciekłych i gazowych ulegają spalaniu -
przy czym produktami są albo CO

2

, CO lub C (sadza)

w zależności od ilości tlenu biorącego udział w
reakcji.

C

4

H

10

+ 6,5 O

2

= 4 CO

2

+

5 H

2

O

C

4

H

10

+ 4,5 O

2

= 4 CO + 5

H

2

O

C

4

H

10

+ 2,5 O

2

= 4 C + 5

H

2

O

C

2

H

4

+ 3O

2

= 2CO

2

+

2H

2

O

C

2

H

4

+ O

2

= 2C +

2H

2

O

C

2

H

4

+ 2O

2

= 2CO +

2H

2

O

Alkany

Alkeny

spalanie niecałkowite

2. Węgiel jako pierwiastek również spala się w
podobny sposób, chociaż nie wytwarza się para
wodna.

C + O

2

= CO

2

C + 0,5 O

2

= CO

Przedstawione reakcje
dotyczą
stechiometrycznego
spalania w czystym
tlenie

Spalanie

Spalanie

Spalanie na przykład oktanu czy izooktanu C

8

H

18

(benzyny) w rzeczywistości, czyli w powietrzu
przebiega wg reakcji:

C

8

H

18

+ 12,5 O

2

+ 47 N

2

 8 CO

2

+ 9 H

2

O +

47 N

2

Powyższa reakcja dotyczy tzw. spalania
stechiometrycznego, tzn. na mol paliwa potrzeba
59,5 moli powietrza lub na kg „benzyny” 15 kg
powietrza.

Reakcje spalania

Reakcje spalania

Zgodnie z reakcją produktami są CO

2

i H

2

O. W

rzeczywistości spalanie jest niecałkowite, w
rezultacie czego powstają również:

•niespalone lub częściowo spalone węglowodory,,
•tlenek węgla
•tlenki azotu.

Zanieczyszczenia

Zanieczyszczenia

powstające podczas

powstające podczas

spalania

spalania

Szkodliwe substancje powstające w trakcie
spalania i wydalane do atmosfery w pierwszym
etapie zanieczyszczają powietrze atmosferyczne, a
następnie wody powierzchniowe i gleby.

Zanieczyszcz

enia wtórne

Substra

ty

Przeciętny skład czystego suchego
powietrza

Gaz

% Objętościowy

% Masowy

Azot, N

2

78,084

75,527

Tlen, O

2

20,946

23,143

Argon, A

0,934

1,282

Dwutlenek węgla,

CO

2

0,034

0,0456

Neon, Ne

0,001818

0,00125

Hel, He

0,000524

0,0000724

Metan, CH

4

0,00015

0,0000775

Krypton, Kr

0,000114

0,00033

Wodór, H

2

0,00005

0,000348

Podtlenek azotu, N

2

O

0,00003

0,000076

Ksenon, Xe

0,0000087

0,000039

Ozon, O

3

0,000002

0,000006

Dwutlenek azotu, NO

2

0,0000001

0,0000007

Przez zanieczyszczenie rozumie się wszystkie te
substancje, które występują w ilościach
odbiegających od tych podanych w tabeli oraz
substancji, które w niej nie występują

.

W procesach spalania może powstawać i być
emitowane ponad

100 rodzajów substancji

, które

można

zakwalifikować

jako

zanieczyszczenie:

dwutlenek siarki (SO

2

) i trójtlenek siarki (SO

3

), tlenki

azotu (NO,) oraz niepalne pyły – popiół,



dwutlenek węgla (CO

2

), tlenek węgla, (CO),



ozon, (O

3

),



związki pierwiastków metalicznych, jak: krzem, (Si),

kadm, (Cd), kobalt, (Co), ołów, (Pb), rtęć, (Hg), wapń,
(Ca), mangan (Mn), molibden, (Mo), żelazo, (Fe) itd.,
oraz pierwiastków niemetalicznych

W procesach spalania może powstawać i być
emitowane ponad

100 rodzajów substancji

,

które

można

zakwalifikować

jako

zanieczyszczenie:

 organiczne lotne związki

zawierają

szereg

związków chemicznych jak: węglowodory łańcuchowe
i aromatyczne oraz ich pochodne, tlenowe pochodne
węglowodorów (alkohole, ketony, etery i kwasy).
Jednym z najważniejszych organicznych lotnych
związków jest metan (CH

4

).

Biorąc po uwagę miejsce powstawania rozróżnia
się

zanieczyszczenia pierwotne i wtórne

.

Pierwotne

zanieczyszczenia

powstają

w

trakcie spalania w komorze paleniskowej i są
bezpośrednio wydalane do atmosfery (tlenek
azotu, dwutlenek siarki, tlenek i dwutlenek
węgla oraz pył lotny).

Zanieczyszczenia wtórne powstają poza
urządzeniem

energetycznym

wskutek

chemicznych

lub

fotochemicznych

reakcji

zachodzących pod wpływem np. promieniowania
elektromagnetycznego Słońca (ozon O

3

, oraz

znaczna część dwutlenku azotu NO

2

).

Cześć dwutlenku azotu powstaje bezpośrednio
w trakcie spalania - zanieczyszczenie pierwotne.
Zasadnicza część NO

2

powstaje w atmosferze z

NO w wyniku reakcji fotochemicznych -
zanieczyszczenie wtórne.

A więc

SO

2

NO

X

i pyły niepalne lotne

są głównymi

zanieczyszczeniami emitowanymi na terenie
Polski.

Obecnie

jednym

z

głównych

źródeł

zanieczyszczeń

są

paleniska

kotłowe

energetyki

przemysłowej,

zawodowej

i

komunalnej

.

W miarę postępu we wdrażaniu

technologii

niskoemisyjnego spalania i oczyszczania
spalin

(odsiarczanie, odazotowanie i odpylanie)

punkt

ciężkości

w

emisji

zanieczyszczeń

przesuwa się w kierunku

emisji samochodowej

.

Wówczas wzrośnie znaczenie takich szkodliwych
substancji jak

sadza, węglowodory alifatyczne,

węglowodory aromatyczne w tym benzo(a)piren,
tlenek węgla, związki metali ciężkich, dwutlenek
węgla i ozon

.

Zanieczyszczenia emitowane
podczas spalania paliw są szkodliwe
dla zdrowia ludności

.

Finansowa ocena strat spowodowanych emisją
zanieczyszczeń jest trudna ze względu na szeroki
zakres zagadnień gospodarczych, zdrowotnych i
społecznych.

W krajach Unii Europejskiej, straty ekologiczne
spowodowane emisją jednej tony najważniejszych
zanieczyszczeń są następujące:
• SO

2

≈ 700$/t SO

2

,

• NO

X

≈ 1500S/t NO

x

• pyłu ≈ 200$/t pyłu

W warunkach polskich, w latach 1990-1996,
wynosiło to ok. 11÷7% strat Dochodu Narodowego.
Dlatego realne straty ekologiczne powinny być brane
pod

uwagę

przy

podejmowaniu

decyzji

gospodarczych, a w szczególności przy kształtowaniu
polityki energetycznej kraju

oraz przy kształtowaniu

opłat za korzystanie ze środowiska naturalnego.

Tlenki azotu (NO

x

)

Symbol NO

X

oznacza sumę NO + N0

2

, przy czym

głównym tlenkiem jest NO, a udział NO

2

nie

przekracza 5%.

Źródłem NO

x

jest azot w powietrzu oraz

częściowo w paliwie.

Tlenki azotu są jednymi z najbardziej uciążliwych
substancji dla środowiska. Tlenki te oddziaływają
szkodliwie w sposób bezpośredni lub pośrednio

.

NO

x

uczestniczy w łańcuchu reakcji zaburzających
równowagę ozonową w atmosferze, sprzyja
powstawaniu azotanu nadtleno-acetylowego, a
ponadto dwutlenek oraz podtlenek azotu są gazami
cieplarnianymi.

Tak więc minimalizacja emisji NO

x

jest jednym

z najważniejszych zadań w zakresie budowy i
eksploatacji urządzeń do spalania paliw.

Tlenki azotu (NO

x

)

Zmniejszanie emisji NO

x

w trakcie spalania należy

do tzw. pierwotnych metod ograniczania emisji NO

x

,

które polegają na ingerencji w proces spalania w
trakcie jego trwania w komorze spalania.
Sterując procesem spalania można spowodować, że
znacząca część związków azotowych wystąpi w
spalinach w postaci N

2

w miejsce NO lub NO

2

.

Zmniejszanie emisji NO

X

w trakcie spalania można

realizować w następujący sposób:



stopniowe spalanie – stopniowe dozowanie powietrza

oraz paliwa i powierza do komory spalania,



doprowadzanie amoniaku lub mocznika do komory

paleniskowej,

NH

3

+ 4NO + O

2

= 4N

2

+ 6H

2

O



obniżanie temperatury w płomieniu

Tlenki azotu
(NO

x

)

W praktyce proces spalania jest kontrolowany i
sterowany poprzez kilka głównych parametrów
takich jak:

• stosunek nadmiaru powietrza oraz rozdział

powietrza,

• własności paliwa (skład chemiczny, parametry

fizyczne), temperatura,

• sposób odbioru ciepła,
• udział tlenu w utleniaczu,
• stopień turbulencji strug,
• typ płomienia itd.

Emisję NO

x

można również kontrolować przy

pomocy ww. parametrów.

Ditlenek siarki (SO

2

)

Siarka jest niepożądanym składnikiem praktycznie
wszystkich paliw stałych i gazowych. W trakcie
spalania powstaje praktycznie wyłącznie

SO

2

.

Paliwa ciekłe

Niskosiarkowe

S < 0,5 %

Średniosiarkowe

0,5  S  1,5

%

Wysokosiarkowe

S > 1,5 %

Węgle brunatne i kamienne

Niskosiarkowe

S < 1,5 %

Średniosiarkowe

1,5  S  2,5

%

Wysokosiarkowe

S > 2,5 %

W paliwach ciekłych
występują
merkaptany, siarczki,
disiarczki i
tlenosiarczki węgla
oraz tiofany i tiofeny.

W paliwach stałych
występuje głownie
siarka nieorganiczna w
postaci siarczków
(głównie piryt) oraz
siarczanów wapnia i
magnezu

.

Przyjmuje się zatem, że problem emisji ditlenku
siarki dotyczy paliw stałych i ciekłych, a spaliny ze
spalania paliw gazowych nie zawierają ditlenku
siarki

Zmniejszanie emisji SO

2

w trakcie spalania

1. Bezpośrednie odsiarczanie gazów
spalinowych w trakcie spalania
zasiarczonych paliw:

Metoda polega ona na

wiązaniu SO

2

przy

pomocy

tlenku wapnia (CaO) lub tlenku magnezu (MgO)

lub

ich mieszanin bezpośrednio w
wysokotemperaturowym obszarze

płomienia

(t = 750-

1250°C).

Stosuje się kamień wapienny (kalcyt lub aragonit -
CaCO

3

), magnezyt (MgCO

3

) oraz dolomit (mieszanina

CaCO

3

i MgCO

3

).

Etapy odsiarczania suchego:

1. Kalcynacja - zachodzą
następujące reakcje
endotermiczne:

CaCO

3

→ CaO + CO

2

MgCO

3

→ MgO + CO

2

Ca(OH)

2

→ CaO + H

2

O

W temperaturze T >
850ºC przebiegają z
dużą szybkością

2.

Proces wiązania SO

2

, który przebiega wg

następujących reakcji

:

SO

2

+ MgO →MgSO

3

SO

2

+ CaO → CaSO

3

Przebiega też reakcja: CaSO

3

+ 1/2 O

2

→

CaSO

4

oraz:

SO

3

+ CaO + 0,5 0

2

↔CaSO

4

SO

3

+ CaO → CaSO

4

Głównymi parametrami wpływającymi na
zmniejszanie emisji SO

2

tą metodą są:

 temperatura

przy której doprowadza się sorbent,

zwana temperaturą injekcji,

 szybkość chłodzenia spalin

,



właściwości i rodzaj

sorbentu

oraz jego ilość w

odniesieniu do ilości SO

2

.

Stosuje się też metody odsiarczania mokrego

Emisja tlenku węgla CO

W praktyce spalania tworzą się pewne ilości CO,
które są rezultatem niezupełnego spalania.

Przyczyny niezupełnego spalania:

1. Niedostateczne wymieszanie paliwa i powietrza

powodujące

występowanie

zbyt

bogatych

mieszanek paliwa i powietrza (głównie) lub
nadmierne zubożenie mieszanki. W obydwu
przypadkach spada szybkość spalania paliwa.

2. Bardzo szybkie wychłodzenie produktów spalania

w zimnej warstwie przyściennej.

Mechanizm:

Dla
węglowodorów:

O

H

m

nCO

O

n

m

H

C

m

n

2

2

2

2

2





















w przypadku karbonizatu

(koksiku):

CO

O

C





2

2

1

CO

CO

C

2

2



