1. Wprowadzenie:

   1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się ze zjawiskiem spalania paliw ciekłych, obserwacja działania palnika olejowego oraz pomiar temperatur i emisji zanieczyszczeń (tlenku węgla, tlenków azotu i sadzy) podczas spalania oleju opałowego.

1. Spalanie całkowite i zupełne

Pomimo prawie identycznego potocznego znaczenia tych pojęć, w technice spalania mają one zupełnie inne znaczenie. Zasada procesu spalania polega na utlenianiu palnych elementów paliwa.

Spalanie całkowite oznacza, iż w spalinach nie ma już składników palnych. W wyniku spalenia całkowitego otrzymamy więc odpowiednio: dwutlenek węgla (CO₂) i wodę (H₂O).

Natomiast spalanie zupełne oznaczać będzie, iż wszystkie składniki spalin są utlenione (spalone) do postaci ostatecznej, a niezupełne określa takie spalanie gdy elementy paliwa nie spaliły się do postaci ostatecznej.

Spalanie zupełne na przykładzie węgla:

C + O₂ = CO₂

Spalanie niezupełne:

2C + O₂ = 2CO

W praktyce w spalinach występują jednocześnie oba te składniki np. :

3C + 2O₂ = 2CO₂ + CO

Prawidłowym jest spalanie całkowite i zupełne co oznacza, iż wszystkie palne składniki paliwa uległy spaleniu do postaci ostatecznej i w spalinach nie ma już palnych cząstek.

1. Współczynnik nadmiaru powietrza

W celu bezpiecznego spalania, przy wahaniach składu paliwa czy też zmianach wydajności wentylatora palnika, stosujemy nadmiar powietrza - λ. Określamy go stosunkiem faktycznie dostarczonej do spalania ilości (objętości) powietrza do ilości powietrza niezbędnego, wynikającego z reakcji chemicznych [1]. Im jest on bliższy jedności tym przebieg spalania jest jakościowo lepszy a sprawność spalania (a zatem sprawność urządzenia) wyższa. Optymalne λ kształtuje się na poziomie 1,16.

1. Analiza spalin

Podstawą regulacji procesów spalania jest analiza spalin. Do tego celu służą różnego typu analizatory. W spalinach znajduje się szereg produktów spalania, których ilość możemy zmierzyć. Dla nas interesującymi z punktu widzenia celu (uzyskania spalania bezpiecznego i ekonomicznego z maksymalną sprawnością) są tlenek węgla CO, tlen O₂, NO_X oraz sadza. Analiza spalin polega na ustaleniu zawartości wymienionych produktów spalania w spalinach. Pomiar sadzy wykonuje się poprzez porównanie próbki z wzorcem zaczernienia (skala 1-10 zwana również skalą Bacharacha).

Aktualne wymogi ochrony środowiska człowieka stwarzają konieczność pomiaru tlenków azotu (NO_X). Specjalista regulujący proces spalania w kotle ma jednak niewielki wpływ na ten ostatni parametr, gdyż zawartość tlenków azotu uzależniona jest w praktyce od temperatury płomienia w powiązaniu z konstrukcją komory spalania kotła.

1. Dysze olejowe

Niewielki i niedoceniany element palnika kotła olejowego - dysza – jest tym najważniejszym elementem decydującym o efektach ekonomicznych całego procesu grzewczego. Decyduje on bowiem o przebiegu całego procesu spalania.

Głównym zadaniem dyszy jest rozpylenie paliwa w wymaganej ilości właściwej dla mocy kotła. Celem rozpylenia paliwa jest zoptymalizowanie procesu spalania w czasie i przestrzeni oraz uzyskanie spalania całkowitego i zupełnego.

Poprzez rozpylenie uzyskujemy:

• zamianę częściową paliwa w parę

• zwiększenie całkowitej powierzchni cieczy (suma powierzchni wszystkich kropelek), a więc zwiększenie powierzchni reakcji

• odpowiednie zmieszanie paliwa z powietrzem biorącym udział w spalaniu

• odpowiedni kształt strumienia paliwa i rozkład kropelek w przestrzeni komory spalania

• skierowanie strumienia paliwa w obszar cyrkulacji spalin, co podtrzymuje proces spalania, a w niektórych typach palników, przy nieco zmienionej konstrukcji, służy do obniżenia wartości emisji tlenków azotu (NO_X)

Tylko spalanie zupełne i całkowite pozwala uzyskać maksymalną sprawność palnika, a także obniżyć emisję szkodliwych składników w spalinach.

1. Schemat układu pomiarowego:

Komora spalania Palnik olejowy Filtr oleju	Zbiornik oleju Pomiar ilości sadzy metodą Bacharacha Sonda analizatora spalin

1. Wykaz przyrządów pomiarowych:

1. Analizator spalin – badanie składu spalin pod kątem zawartości tlenu i zanieczyszczeń (CO, NOx)

2. Filtr pomiarowy – miara zawartości sadzy metodą Bacharacha, na podstawie zaczernienia filtru papierowego

3. Termopary – pomiar temperatury płomienia i spalin

1. Tabela pomiarowa:

Numer pomiaru	Temperatura	Skład spalin	Ilość sadzy S
	płomienia tp	spalin ts	O2
	^oC	%	ppm
1	1156	501	4,92
2	1166	503	4,48
3	1174	510	3,87
4	1169	508	3,45
5	1172	510	2,85
6	1207	510	1,9
7	1223	503	0,72
8	1176	476	0,01

1. Przykładowe obliczenia (dla O₂ = 4,92 %, CO = 8 ppm, NO_x = 81 ppm)

   1. Wyznaczenie współczynnika nadmiaru powietrza - λ

$\mathbf{\lambda =}\frac{\mathbf{21}}{\mathbf{21 -}\mathbf{O}_{\mathbf{2}}} = \frac{21}{21 - 4,92} \approx 1,31$ [1]

gdzie:

λ – współczynnik nadmiaru powietrza

21 – zawartość tlenu w powietrzu (w procentach)

O₂ – zawartość tlenu w spalinach (w procentach)

1. Przeliczenie poziomu zanieczyszczeń odniesione do stałej zawartości tlenu 3%

$$\mathbf{\text{CO}}^{\mathbf{3\%}}\mathbf{= CO \bullet}\frac{\mathbf{21 - 3}}{\mathbf{21 -}\mathbf{O}_{\mathbf{2}}} = 8 \bullet \frac{18}{21 - 4,92} \approx 8,96\ \text{ppm}$$

$$\mathbf{\text{NO}}_{\mathbf{x}}^{\mathbf{3\%}}\mathbf{=}\mathbf{\text{NO}}_{\mathbf{x}}\mathbf{\bullet}\frac{\mathbf{21 - 3}}{\mathbf{21 -}\mathbf{O}_{\mathbf{2}}} = 81 \bullet \frac{18}{21 - 4,92} \approx 90,67\ \text{ppm}$$

gdzie:

CO^3% - przeliczona zawartość CO w spalinach (ppm)

NO_x^3% - przeliczona zawartość NO_x w spalinach (ppm)

CO – zmierzona zawartość CO w spalinach (ppm)

NO_x – zmierzona zawartość NO_x w spalinach (ppm)

3 – referencyjna zawartość tlenu w spalinach (w procentach)

1. Wyniki obliczeń

Numer pomiaru	Skład spalin	λ	CO^3%	NOx^3%
	O2	CO	NOX
	%	ppm	ppm
1	4,92	8	81	1,31
2	4,48	3	83	1,27
3	3,87	6	85	1,23
4	3,45	6	88	1,20
5	2,85	6	87	1,16
6	1,9	11	83	1,10
7	0,72	59	75	1,04
8	0,01	58	14	1,00

1. Wykresy

Rys. 1 Rys. 1 - zależność emisji zanieczyszczeń przeliczonych na 3% udział tlenu w spalinach (CO3% oraz NOx3%) od współczynnika nadmiaru powietrza (λ)

Rys. 2 – zależność zawartości sadzy (S) od współczynnika nadmiaru powietrza (λ)

Rys. 3 – zależność temperatury płomienia i spalin (t_p i t_s) od współczynnika nadmiaru powietrza (λ)

1. Uwagi i wnioski:

Z wykresu nr 1 wynika, że warunki spalania zaistniałe w momencie największego stężenia NO_X w spalinach są najbardziej sprzyjające tworzeniu się tych tlenków oraz, że nadmiar powietrza sprzyja efektywności spalania tzn. wraz ze wzrostem λ maleje emisja CO (co jest korzystne z punktu widzenia energetycznego).

Na podstawie wykresu nr 2 możemy sformułować następujący wniosek: sadza tworzy się przy obniżonej zawartości tlenu, poniżej pewnej krytycznej wartości (λ = 1,2), a jej obecność sygnalizuje spalanie niezupełne.

Wykres 3 prowadzi do powstania wykresu przedstawiającego zależność między różnicą temperatur (∆t): spalin i płomienia (t_s i t_p) oraz współczynnikiem nadmiaru powietrza (λ)

z którego możemy wywnioskować, że różnica między t_p i t_s maleje wraz ze wzrostem współczynnika λ. Przy zwiększeniu ilości powietrza zwiększa się ilość spalin, co jest przyczyną spadku temperatury spalania. Nadmiar powietrza ma wpływ na obniżenie temperatury płomienia.