wz

Spalování kapalných paliv

Píše: Ing. Přemysl Kól (kolpremek@seznam.cz)

Zpět na domovskou stránku

Složení kapalných paliv

    Ropa je směsí různých kapalných uhlovodíků, nejvýznamnější typy jsou:

Parafiny – alifatické uhlovodíky typu CmH2n+2 s otevřenými řetězci

Aromáty – cyklické uhlovodíky typu CnH2n-m

Nafténycyklické uhlovodíky typu CmH2n

Asfaltény – nasycené polycyklické uhlovodíky obsahující kyslík a síru

     Složení kapalných paliv se může lišit a to především podle druhu naleziště. Pro spalovací zařízení to však není podstatné. Prvkové složení ropy a některých dalších kapalných paliv je uvedeno v tabulce 1. Destilací ropy se získávají frakce různého bodu varu, v rozmezí 60°C až nad 350°C. Pro spalování ve velkých průmyslových kotlích se používají vesměs pouze topné oleje, v malých kotlích se používá topná nafta.

     Kapalná paliva se získávají také destilací odvodněných uhelných dehtů.

     Při destilaci ropy se popeloviny a síra koncentrují v těžkých frakcích. Těžké topné oleje mívají obsah síry kolem 3%. V popelovinách těžkých olejů se zpravidla vyskytuje vanad, při spalování vzniká oxid vanadičný V2O5, který na výhřevných plochách o teplotě nad 550°C tvoří nánosy a korozi, kromě toho je také toxický (nebezpečí otravy při čištění kotle). 

Vlastnost

TM

TS

TL

TA

Topná nafta

Motorová nafta

ρ [kg/m3]

930 až 980

max 920

max 900

1010 až 1100

810 až 850

800 až 880

Qv [MJ/kg]

42 až 43

min 40,5

44

38,1 až 41,1

-

44 až 45,3

Qn [MJ/kg]

39,8 až 42

min 39,8

min 39,8

36,8 až 39,4

min 41,5

41,1

ν . 10-6 [m2/s]

18

12

12

400

3

4

ttuh [°C]

+20 až +30

max +25

-5 až +10

+22 až +36

-5 až +10

-5

tvzp [°C]

120 až 220

min 65

min 65

130 až 175

max 50

60

W [%]

0 až 0,8

max 1

max 0,3

0 až 0,6

max 0,5

1,5

A [%]

0,1 až 0,5

0,2

0,1

0,1 až 0,4

max 0,5

0,04

C [%]

85 až 86,5

84,5 až 87

84 až 86

84 až 87

85

86 až 87,2

H [%]

11 až 12

11,5 až 12,5

12,4 až 13

8 až 9,7

14

12,4 až 13

S [%]

1,5 až 2,3

max 2

max 2

0,5 až 0,7

0,5

0,1 až 0,5

N [%]

0,2 až 0,5

0,7

0,7

0,4 až 0,6

0,2

0,5

O [%]

0,1 až 0,15

-

-

3,6 až 4,5

0,3

-

Tab. 1 Složení vybraných druhů kapalných paliv

     Vysvětlivky k tabulce 1:

ρ – hustota kapalného paliva měřená při 20°C

Qv – spalné teplo

Qn – výhřevnost

ν – kinematická viskozita paliva

ttuh – teplota tuhnutí paliva

tvzp – teplota vzplanutí paliva

 

Fyzikální a chemické vlastnosti

   Hustota

     Hustota topných olejů závisí na jejich chemickém složení, její hodnota vzrůstá při větším obsahu uhlíku a menším obsahu vodíku. Hustota ρ0 při teplotě t0 se přepočte na jinou teplotu t1 dle vztahu (1-1):

   Kinematická viskozita

     Viskozita se stoupající teplotou rychle klesá (obr. 1), se stoupajícím tlakem mírně vzrůstá. Při dlouhém skladování za vyšší teploty viskozita oleje vzrůstá.

 

obr1.png

Obr 1. Závislost kinematické viskozity na teplotě

   Bod vzplanutí

     Bod vzplanutí tvzp je teplota, při které se z paliva uvolňuje tolik par, že se přiblížením otevřeného plamene vznítí, ale po jeho oddálení opět uhasnou.

   Bod tuhnutí

     Bod tuhnutí ttuh je nejvyšší teplota, kdy ochlazovaný olej přestává téci. Je velmi důležitým ukazatelem pro posouzení použitelnosti oleje při nízkých teplotách. Tento údaj však není dostatečným kriteriem a musí být doplněn údajem viskozity při nízkých teplotách.

   Karbonizační zbytek

     Tento ukazatel charakterizuje náchylnost paliva k tvoření uhlíkatých zbytků při vysokých teplotách.

   Měrná tepelná kapacita

     Měrná tepelná kapacita topných olejů závisí na jejich složení, popř. hustotě, tato závislost však není příliš výrazná (stejně jako závislost na teplotě). V rozmezí teplot 0 až 150°C lze s dostatečnou přesností pokládat jeho hodnotu za konstantní a to pro olej s hustotou:

         ρ20 = 0,9 t/m3                  c = 2,1 kJ/kgK

         ρ20 = 1,0 t/m3                  c = 1,9 kJ/kgK

   Tepelná vodivost

     Tepelná vodivost topných olejů závisí na hustotě a teplotě podle vztahu:

   Výparné teplo

     Skupenské teplo potřebné k odpaření kapalného paliva závisí na jeho hustotě ρ20 [t/m3] a na teplotě varu tv [°C]. Pro jeho výpočet se doporučuje vzorec (1-3).

     Zhruba činí desetinu výparného tepla vody.

   Spalné teplo a výhřevnost

     U kapalných paliv se spalné teplo i výhřevnost stanoví v podstatě stejným způsobem jako u tuhých paliv.

 

     Spotřeba spalovacího vzduchu a množství spalin při dokonalém spalování kapalných paliv

     Množství hořlavých složek v 1 kg paliva ve stavu spalovaném bývá dáno prvkovým složením hořlaviny

 a obsah přítěže, tj. obsah vody W a popela A

     Je ovšem potřeba dát si pozor na to, o jaký obsah daného prvku se jedná. Zda jde o obsah v původním vzorku či jde o prvkový rozbor v hořlavině. Index h značí, že se jedná o složení v hořlavině.

     Stechiometrické vztahy při dokonalém spalování:

     Objemy V0 jsou v celém následujícím textu uváděny v tzv. normálním stavu (tedy 0,1 MPa a 0°C). Přepočet na skutečný stav je dle následujícího vzorce:

     Minimální (teoretická) spotřeba kyslíku (bez přebytku vzduchu) k dokonalému spálení 1 kg paliva o složení podle (1-5) je:

      Protože v suchém vzduchu je 21% (obj.) kyslíku, je teoretická spotřeba suchého vzduchu :

     Teoretická spotřeba atmosférického vzduchu o relativní vlhkosti φ [%] a celkovém tlaku pc je:

     Součinitel χv lze vypočítat z následující rovnice:

     Parciální tlak vodní páry p,, [MPa] na mezi sytosti pro danou teplotu vzduchu tv lze nalézt v parních tabulkách. Celkový tak vzduchu obvykle bývá pc = 0,1 MPa. Při dokonalém spálení 1 kg paliva bez přebytku vzduchu vznikne teoretický objem spalin:

     Objem suchých spalin Vss,min se skládá ze složek:

      Objem vodních par ve spalinách vznikl jednak spálením vodíku a odpařením vody z paliva a z vlhkosti vzduchu:

     Objemové koncentrace jednotlivých složek v suchých spalinách při dokonalém spalování bez přebytku vzduchu dosahují maximálních hodnot, např:

při přebytku vzduchu (α > 1), např:

     Podobně se mohou určovat i objemové koncentrace ve vlhkých spalinách, avšak většinou tyto údaje nejsou pro kontrolu provozu důležité. Součinitel přebytku vzduchu se určuje z hodnot oCO2 a oCO2max vztažených na suché spaliny, protože při odběru vzorku vodní páry v potrubí kondenzuje a analyzuje se tedy suchý vzorek.

     Ve skutečných spalovacích zařízeních nelze zajistit dokonalé vyhoření paliva pouze s teoretickým množstvím spalovacího vzduchu, protože dosavadní technická řešení neumožňují, aby všechny molekuly O2 přišly do styku s palivem. Z tohoto důvodu se spaluje s určitým přebytkem vzduchu, což se vyjadřuje tzv. součinitelem přebytku vzduchu:

     Optimální hodnota přebytku vzduchu v ohništi α0,opt pro dané zařízení vyplývá podle obr. 2 z minima součtu tepelných ztrát kotle, závisejících na přebytku vzduchu, tedy jmenovitě na ztrátách nedokonalým spalováním, které s rostoucím α0 klesají, a na ztrátě citelným teplem plynných spalin (komínová ztráta), která naopak s rostoucím α0 roste. Hodnota α0,opt závisí hlavně na druhu paliva, na způsobu a průběhu přípravy hořlavé směsi i vlastního spalování. Průměrné hodnoty optimálních součinitelů přebytku vzduchu pro jednotlivé typy ohnišť jsou ukázány v tabulce 2. Součinitel přebytku vzduchu se při průtoku kotlem vlivem netěsností průtahů a podtlaku v nich zvyšuje až o 0,2 popř. 0,3. Zvýšení je nežádoucí, protože roste komínová ztráta kotle a tím se zhoršuje účinnost kotle.

Obr2.JPG

Obr. 2 Závislost optimálního součinitele přebytku vzduchu

Ohniště

α0,opt

Ohniště

α0,opt

roštová

1,3 až 1,5

cyklonová horizontální

1,05 až 1,10

granulační

1,20

cyklonová vertikální

1,10 až 1,15

mlýnicová

1,24

olejová

1,01 až 1,15

výtavná

1,15

plynová

1,01 až 1,10

Tab.2 Optimální hodnoty součinitelů přebytku vzduchu pro základní typy ohnišť

     Skutečný objem spalovacího vzduchu o teplotě tv [°C] a tlaku pv [MPa] přiváděný do ohniště pro dokonalé spálení 1 kg paliva:

     A skutečný objem spalin o teplotě ts [°C] a tlaku ps [MPa] při dokonalém spálení 1 kg paliva s přebytkem vzduchu α:

Odkazy

1.     V. Černý, B. Janeba, J. Teyssler, Parní kotle, SNTL, Praha, 1983

 

Citace tohoto článku

     P. Kól, Spalování kapalných paliv, publikováno na stránkách Spalovací procesy, dostupné z http://Spalovaci-procesy.wz.cz/KP.html, 2011.

     © Přemysl Kól         

Zpět na domovskou stránku

TOPlist