Projekt III:

Analiza wybranych reakcji w procesie spalania biomasy.

Piotr Konarski

Karolina Wszoła

Kamila Wilczyńska

Energetyka Jądrowa

1. Omówienie teoretyczne

Cztery fazy procesu spalania biomasy:

• Ogrzewanie i suszenie

• Termiczna dekompozycja paliwa

• Spalanie części lotnych

• Spalanie karbonizatu (koksiku)

Proces termicznej dekompozycji biomasy:

Piroliza jest to proces rozkładu termicznego substancji prowadzony poprzez poddawanie ich działaniu wysokiej temperatury, ale bez kontaktu z tlenem i innymi czynnikami utleniającymi. Jest procesem wysokotemperaturowym oraz bezkatalitycznym.

Temperatura termicznego rozkładu jest ściśle określona dla komponentów biomasy:

• Hemiceluloza: 220~320˚C

• Celuloza: 320~370˚C

• Lignina: 320~500˚C

Współczynnik nadmiaru powietrza - stosunek rzeczywistej ilości (masy) powietrza, w której spalane jest paliwo, do ilości potrzebnej do całkowitego spalenia paliwa.

Mieszanka uboga dla n>1

Mieszanka bogata dla n<1

1. Opis problemu

Zadanie 1.

Opracuj schemat graficzny spalania biomasy.

Mechanizm spalania biomasy stałej:

Przedstawiony powyżej schemat obrazuje przebieg procesu spalania biomasy. Jako pierwsze następuje ogrzewanie i suszenie. Następnie występuje termiczna dekompozycja paliwa, która składa się z pirolizy drewna oraz utleniania koksu. Części lotne, smoła oraz koks są produktami procesu pirolizy. W pierwszej kolejności pirolizie ulega hemiceluloza (220-320°C), następnie celuloza (320-370°C) i lignina (320-500°C). W zakresie uzyskiwanych produktów termicznej dekompozycji hemiceluloza i celuloza dają więcej części lotnych natomiast z ligniny tworzy się więcej karbonizatu. Na koniec procesu przy dostępie tlenu występuje spalenie części lotnych w płomieniu oraz tlenienie się koksu.

Zadanie 2.

Znaleźć charakterystyczne punkty temperatury na wykresie DTG i opracować krótką analizę.

Komponent	TD start [°C]	TD end [°C]	TMax [°C]	Main peak [°C]	DmMAX/dt
Hemiceluloza	180	340	280	270	6,2
Celuloza	250	380	340	340	13,8
Lignina	170	-	390	400	1,6

Zadanie 3.

Dla podanych udziałów składników (analiza elementarna) paliwa i informacji o rzeczywistej zawartości CO₂ w spalinach obliczyć współczynnik nadmiaru powietrza. Porównać wynik bez/z uwzględnieniem azotu.

n = 4, 76

Zadanie 4.

Znajdź teoretyczną ilość powietrza niezbędnego do prowadzenia procesu spalania paliwa składającego się C, S, O, H. W oparciu o wyniki obliczeń oraz wartość CO2max znajdź bieżące wartości rzeczywistej ilości powietrza.

1 mol C – 1 mol CO₂

12 kg C – 32 kg O₂

12 kg C – 22,39 m³ O₂

1 kmol S – 1 kmol O₂

32 kg S – 22,39 m³ O₂

1 kmol H – ½ kmol O₂

2 kg H – 11,2 m² O₂

10 kg C – 100% 12kg C – 22,39 m² O₂

3,5 kg – 35% 3,5 kg C – 6,53 m² O₂

H₂ – 100% 2kg H – 11,2 m² O₂

0,005 kg H₂ – 0,1% 0,005 kg H – 0,028 m² O₂

10kg S – 100% 32kg S – 22,39 m² O₂

0,01 kg S – 1% 0,01 kg S – 0,0069 m² O₂

Suma zapotrzebowania na tlen: 31,26 m³ O₂ – 3,126

Zadanie 5.

Znajdź teoretyczną i rzeczywistą wartość objętości spalin wykorzystując wyniki obliczeń wykonane w oparciu o powyższe wzory

$$V_{N_{2}}^{t} = 0,79V_{p}^{t} + \frac{1}{1,2505}\frac{N^{r}}{100} = 24,7\frac{m^{3}}{\text{kg}}$$

$$q_{N_{2}} = 1,2505\ \frac{\text{kg}}{m^{3}}$$

RO₂ = CO₂ + SO₂

$$V_{\text{RO}_{2}} = 1,866\frac{C_{t}^{r} + 0,375S_{t}^{r}}{100} = 0,65\frac{m^{3}}{\text{kg}}$$

$$V_{H_{2}O}^{t} = 0,11H_{t}^{r} + 0,0124W_{t}^{r} + 0,0161V_{p}^{t} = 0,89\frac{m^{3}}{\text{kg}}$$

$$V_{\text{ed}}^{t} = V_{RO_{2}}^{} + V_{N_{2}}^{t} = 25,35\frac{m^{3}}{\text{kg}}$$

$$V_{\text{ew}}^{t} = V_{RO_{2}}^{} + V_{N_{2}}^{t} + V_{H_{2}O}^{t} = 26,24\frac{m^{3}}{\text{kg}}$$

$$V_{\text{ed}}^{} = V_{\text{ed}}^{t} + (n - 1)V_{p}^{t} - 0,0161(n - 1)V_{p}^{t} = 140,65\frac{m^{3}}{\text{kg}}$$

$$V_{\text{ew}}^{} = V_{\text{ew}}^{t} + (n - 1)V_{p}^{t} = 142,53\frac{m^{3}}{\text{kg}}$$

Zadanie 6.

Rozważyć stechiometryczne równanie spalania związku CαHβOγSδ w powietrzu. Przyjąć, że w przypadku paliwa nie będącego związkiem chemicznym, lecz mieszaniną związków chemicznych, jednostką materii jest umowna cząsteczka CαHβOγSδ, o liczbie atomów poszczególnych pierwiastków dobranej tak, aby jej średnia masa molowa była równa masie rzeczywistej.

Równanie spalania jednego mola paliwa z Λ umownymi molami powietrza:

C_αH_βO_γS_δ + Λ(0,21O2 + 0,79N₂) V₁CO₂ + V₂H₂O + V₃SO₂ + V₄N₂

Λ – stosunek liczby moli powietrza do liczby moli paliwa

Dopalanie części lotnych - spalanie w fazie gazowej.

1. Przeprowadzenie bilansu substratów i produktów w założonej reakcji spalania.

Tab. 1. Bilans substratów

Składnik mieszaniny palnej	Liczba atomów substratów - produktów
C	α = V1
H	β = 2V2
O	γ + 2∙0,21Λ = 2(V1 + V3) + V2
S	δ = V3Λ
N	2∙0,79Λ = 2V4

2. Rozwiązanie układu równań, względem współczynników stechiometrycznych produktów:

Λ = 1/0,21(α + β/4 – γ/2 + δ) (2)

V₁ = α (3)

V₂ = β/2 (4)

V₃ = δ (5)

V₄ = 0,79/0,21 (α + β/4 – γ/2 + δ) (6)

3. Zapis reakcji spalania z uwzględnieniem wyników obliczeń. Dopalanie paliwa o wzorze ogólnym CαHβOγ dla ε moli paliwa i jednego mola powietrza (dzięki temu możemy użyć współczynnika ekwiwalencji Φ):

Pierwsza postać równania reakcji:

ΦεC_αH_βO_γ + (0,21O2 + 0,79N₂) V₁CO₂ + V₂H₂O + V₃N₂ + V₄O₂ + V₅CO + V₆H₂

Biorąc pod uwagę, żem mieszanina jest uboga, V5 = 0 i V6 = 0 (Φ < 1), zatem poszczególne

współczynniki (liczba moli) przyjmą wartości jak w tabeli 2:

Tab. 2. Bilans substratów

Składniki spalin	Liczba moli składnika
CO2	Φεα
H2O	βεΦ/2
N2	0,79
O2	0,21(1 – Φ)
CO	0
H2	0

1. Wnioski

Przygotowując projekt zapoznaliśmy się z 4 fazami procesu spalania biomasy. Wyznaczyliśmy współczynnik nadmiaru powietrza. Wartość obliczonego współczynnika dla ligniny wskazuje na nadmiar powietrza, n = 4,76. Wyznaczyliśmy również teoretyczną i rzeczywistą wartość objętości spalin.