WYDZIAŁ: INŻYNIERII METALI I INFORMATYKI PRZEMYSŁOWEJ	SPECJALIZACJA: OGRZEWNICTWO I KLIMATYZACJA	ROK STUDIÓW: IV	DATA: 23 maja 2011
Imię i nazwisko: PAWEŁ SOBCZAK	Temat: BILANS KOTŁA.	Prowadzący: dr inż. Adam Ciężak	OCENA:

Wprowadzenie.

Wprowadzenie.

Spalanie jest szybko przebiegającym procesem utleniania. Pierwiastkami palnymi w paliwach są węgiel, wodór oraz występująca w niewielkich ilościach siarka. Paliwo składa się z substancji palnej i balastu. Podział na te składniki jest umowny. Do balastu zalicza się w paliwach stałych i ciekłych popiół i wilgoć, w paliwach gazowych zaś azot, dwutlenek węgla i parę wodną.

Substancje doprowadzane do komory paleniskowej (powietrze i paliwo) stanowią substraty procesu spalania, produktami zaś są substancje wyprowadzane z komory paleniskowej (spaliny gazowe, produkty stałe i ciekłe).

Za produkty ostatecznego utleniania pierwiastków palnych uważa się CO₂, SO₂ i H₂O (przy utlenianiu siarki tworzy się również SO₂, ale jego ilość jest niewielka). Jeżeli w produktach spalania występują gazy palne (CO, H₂, CH₄), spalanie nazywa się niezupełnym. Jeżeli produkty zawierają stałe składniki palne, spalanie nazywamy niecałkowitym. W projekcie, na podstawie danych i wyników pomiarów można stwierdzić, iż mamy do czynienia ze spalaniem niezupełnym całkowitym.

Cel bilansu.

Podstawowym celem bilansu energetycznego kotła jest obliczenie jego sprawności, a co za tym idzie, ustalenie stopnia wykorzystania paliwa użytego w procesie. Określenie sprawności kotła zostanie dokonane na podstawie składu spalin, parametrów czynnika ogrzewanego w kotle (wody) oraz parametrów paliwa.

Dane projektowe i wyniki pomiaru.

• Zużycie paliwa: ${\dot{V}}_{g} = \ 700\ \frac{m^{3}}{h}$

  Ilość paliwa dostarczonego do komory spalania: ${\dot{n'}}_{g} = \frac{700}{22,4} = 31,25\frac{\text{kmol}}{h}$

• Temperatura paliwa: t_g = 31C

• Skład paliwa:

• $CO = 0,2\% = 0,002\frac{\text{kmol\ CO}}{\text{kmol\ paliwa}}$

• $\text{CO}_{2} = 0,1\% = 0,001\frac{\text{kmol\ }\text{CO}_{2}}{\text{kmol\ paliwa}}$

• $\text{CH}_{4} = 97\% = 0,97\frac{\text{kmol\ }\text{CH}_{4}}{\text{kmol\ paliwa}}$

• $C_{2}H_{4} = 0,2\% = 0,002\frac{\text{kmol\ }C_{2}H_{4}}{\text{kmol\ paliwa}}$

• $H_{2} = 0,6\% = 0,006\frac{\text{kmol\ }H_{2}}{\text{kmol\ paliwa}}$

• $N_{2} = 1,7\% = 0,017\frac{\text{kmol\ }N_{2}}{\text{kmol\ paliwa}}$

• $O_{2} = 0,2\% = 0,002\frac{\text{kmol\ }O_{2}}{\text{kmol\ paliwa}}$

• Temperatura powietrza dostarczonego do komory spalania: t_a=10°C

• Ciśnienia powietrza dostarczonego do komory spalania:

  p_b = 761mmHg = 761 • 133, 322 = 101458, 04 Pa

• Wilgotność powietrza dostarczonego do komory spalania: ϕ=28%

• Temperatura hali – otoczenia: t_a,h=20,5°C

• Temperatura spalin: t_s=206°C

• Skład spalin:

• $\left\lbrack \text{CO}_{2} \right\rbrack_{I} = 9,8\% = 0,098\frac{\text{kmol}\text{\ CO}_{2}}{\text{kmol\ spalin}}$

• $\left\lbrack O_{2} \right\rbrack_{I} = 2,5\% = 0,025\frac{\text{kmol}\text{\ O}_{2}}{\text{kmol\ spalin}}$

• $\left\lbrack \text{CO} \right\rbrack_{I} = 0,845\% = 0,0085\frac{\text{kmol\ CO}}{\text{kmol\ spalin}}$

• $\left\lbrack N_{2} \right\rbrack_{I} = 100\% - 9,8\% - 2,5\% - 0,845\% = 86,855\% = 0,8686\frac{\text{kmol}\text{\ N}_{2}}{\text{kmol\ spalin}}$

• Temperatura wody: t_w=57°C;

• Temperatura pary wodnej: t_p=257°C;

• Ciśnienie pary wodnej: p_p = 14, 5 bar = 1450000 Pa.

Obliczenia – bilans materiałowy dla komory spalania.

Bilans węgla:

$n_{C}^{'} = CO + \text{CO}_{2} + \text{CH}_{4} + C_{2}H_{4} = 0,002 + 0,001 + 0,97 + 2 \bullet 0,002 = 0,977\frac{\text{kmol\ C}}{\text{kmol\ paliwa}}$

Bilans wodoru:

$n_{H_{2}}^{'} = H_{2} + 2\text{CH}_{4} + 2C_{2}H_{4} = 0,006 + 2 \bullet 0,97 + 2 \bullet 0,002 = 1,95\frac{\text{kmol\ }H_{2}}{\text{kmol\ paliwa}}$

Bilans tlenu:

$n_{O_{2}}^{'} = \text{CO}_{2} + {\frac{1}{2} \bullet CO + O}_{2} = 0,001 + \frac{1}{2} \bullet 0,002 + 0,002 = 0,004\frac{\text{kmol\ }O_{2}}{\text{kmol\ paliwa}}$

Bilans azotu:

$n_{N_{2}}^{'} = N_{2} = 0,017\frac{\text{kmol\ }N_{2}}{\text{kmol\ paliwa}}$

Na podstawie bilansu materiałowego węgla określamy ilość spalin suchych odpływających z komory grzejnej pieca na 1h (godzinę):

n_C^′ = n_ssI • ([CO₂] + [CO])

stąd

$n_{\text{ssI}} = \ \frac{n_{C}^{'}}{{\lbrack CO}_{2}\rbrack + \lbrack CO\rbrack} = \frac{0,977}{0,098 + 0,0085} = 9,178\frac{\text{kmol\ ss}}{\text{kmol\ paliwa}}$

Łączną ilość spalin suchych w czasie badania pieca oblicza się mnożąc ilość spalin suchych przez zużycie paliwa:

9, 178 • 31, 25 = 286, 8131 kmol.

Bilans tlenu i azotu wykorzystuje się do obliczenia ilości powietrza doprowadzonego do komory grzejnej oraz do skorygowania składu spalin. Korektę składu spalin przeprowadza się przez dodanie poprawki Δ do udziału [O₂]_I i odjęcie takiej samej poprawki od udziału [N₂]_I. Bilans tzw. wolnego tlenu ma więc postać:

$0,21{n'}_{a} + {n'}_{O_{2}} - \frac{1}{2}{n'}_{H_{2}} = n_{\text{ssI}} \bullet \left( \left\lbrack \text{CO}_{2} \right\rbrack_{I} + \left\lbrack O_{2} \right\rbrack_{I} + + \frac{1}{2} \bullet \left\lbrack \text{CO} \right\rbrack_{I} \right)$

Bilans azotu prowadzi do równania:

n′_N2 + 0, 79 • n′_a = n_ssI • ([N₂]_I−)

Podstawiając dane do obu równań otrzymujemy następujący układ równań:

$\left\{ \begin{matrix} 0,21{n'}_{a} + 0,004 - \frac{1}{2} \bullet 1,95 = 9,18 \bullet \left( 0,098 + 0,025 + + \frac{1}{2} \bullet 0,0085 \right) \\ 0,017 + 0,79 \bullet {n'}_{a} = 9,18 \bullet \left( 0,8686 - \right) \\ \end{matrix} \right.\ $

$\left\{ \begin{matrix} 0,21{n'}_{a} + 0,004 - 0,975 = 0,8996 + 0,2295 + 9,18 \bullet + 0,039 \\ 0,017 + 0,79 \bullet {n'}_{a} = 7,9737 - 9,18 \bullet \\ \end{matrix} \right.\ $

$\left\{ \begin{matrix} 0,21{n'}_{a} = 9,18 \bullet + 1,3295 \\ 0,79 \bullet {n'}_{a} = 7,9567 - 9,18 \bullet \\ \end{matrix} \right.\ $

$\left\{ \begin{matrix} {n'}_{a} = 43,7143 \bullet + 6,331 \\ 0,79 \bullet {n'}_{a} = 7,9567 - 9,18 \bullet \\ \end{matrix} \right.\ $

0, 79 • (43,7143•+6,331) = 7, 9567 − 9, 18•

34, 5343 • +5, 0015 = 7, 9567 − 9, 18•

43, 7143 • =2, 9952

=0, 0685

n^′_a = 43, 7143 • 0, 0685 + 6, 331

${n^{'}}_{a} = 9,3254\frac{\text{kmol}}{\text{kmol\ paliwa}}$

Z obliczeń układu równań wynika , że poprawka Δ= 0,0685 oraz ilość powietrza doprowadzona do komory grzejnej pieca wynosi $9,3254\ \frac{\text{kmol}}{\text{kmol\ paliwa}}$,

Skorygowany skład spalin jest następujący;

$\left\lbrack \text{CO}_{2} \right\rbrack_{\text{Ik}} = 9,8\% = 0,098\frac{\text{kmol}\text{\ CO}_{2}}{\text{kmol\ spalin}}$

$\left\lbrack O_{2} \right\rbrack_{\text{Ik}} = 2,5\% = 0,025\frac{\text{kmol}\text{\ O}_{2}}{\text{kmol\ spalin}} + = 0,025 + 0,0685 = 0,0935\frac{\text{kmol}\text{\ O}_{2}}{\text{kmol\ spalin}}$

$\left\lbrack \text{CO} \right\rbrack_{\text{Ik}} = 0,845\% = 0,0085\frac{\text{kmol\ CO}}{\text{kmol\ spalin}}$

$\left\lbrack N_{2} \right\rbrack_{\text{Ik}} = 0,8686\frac{\text{kmol}\text{\ N}_{2}}{\text{kmol\ spalin}} - = 0,8686\frac{\text{kmol}\text{\ N}_{2}}{\text{kmol\ spalin}} - 0,0685 = 0,8001\frac{\text{kmol}\text{\ N}_{2}}{\text{kmol\ spalin}}$

Z bilansu wodoru wynika zawartość wilgoci w spalinach (wilgoć wniesioną przez powietrze można pominąć):

${n''}_{H_{2}O} = {n'}_{H_{2}} = 1,95\frac{\text{kmol\ }H_{2}}{\text{kmol\ paliwa}}$

ilość wilgoci przypadająca na 1 kmol spalin suchych (stopień zwilżenia spalin) wynosi:

n′_H2O = x_sp • n_ssI

$x_{\text{sp}} = \frac{{n'}_{H_{2}O}}{n_{\text{ssI}}} = 0,2125\frac{\text{kmol}}{\text{kmol\ }\text{spalin\ suchych}}$

Bilans energii.

Energia doprowadzona:

• Energia chemiczna gazu:

${\dot{I}}_{ch,g} = {\dot{n'}}_{g} \bullet Q_{\text{ig}}$

Wartość opałowa gazu wynosi:

Q_ig = CO • Q_iCO + CH₄ • Q_iCH4 + C₂H₄ • Q_iC2H4 + H₂ • Q_iH2

Przyjmujemy paliwo jako gaz doskonały:

$Q_{\text{iCO}} = 282889,6\frac{\text{kJ}}{\text{kmol}}\ $

$Q_{i\text{CH}_{4}} = 802144\frac{\text{kJ}}{\text{kmol}}$

$Q_{iC_{2}H_{4}} = 1410617,6\frac{\text{kJ}}{\text{kmol}}$

$Q_{iH_{2}} = 240777,6\frac{\text{kJ}}{\text{kmol}}$

Q_ig = 0, 002 • 282889, 6 + 0, 97 • 802144 + 0, 002 • 1410617, 6 + 0, 006 • 240777, 6

$Q_{\text{ig}} = 782,911,36\ \frac{\text{kJ}}{\text{kmol}}$