wz

Spaliny

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

 

Zpět na domovskou stránku

   Složení spalin

     Spaliny z ohnišť kotlů obsahují v obecném případě jednak plyny a páry vzniklé dokonalým nebo nedokonalým spalováním paliva, jednak složky vlhkého spalovacího vzduchu, které se spalování zúčastnily pasivně, dále vlhký přebytečný atmosférický vzduch přivedený do reakce v množství nad teoretickou potřebu pro daný případ spalování a tuhé zbytky po spalování paliv. Složení plynných složek záleží na složení hořlaviny paliva, popř. i popeloviny, dále na dokonalosti průběhu spalování a teplotě hoření. Spaliny z fosilních paliv budou tedy obecně plynné složky, vodní pára a složky tuhé (popílky, …).

     Plynnou část tvoří kysličník uhličitý vzniklý spálením uhlíku, popř. rozkladem uhličitanů z popelovin a přivedený spalovacím vzduchem, dále kyslík jako zbytek z přebytečného spalovacího vzduchu přivedeného do ohniště a z přisátého falešného vzduchu, kysličníky síry SO2 a SO3 vzniklé spálením síry obsažené v palivu (převážně v biomase) a rozkladem síranů v popelovinách, dusík z paliva, uvolněný spálením hořlaviny a dusík ze spalovacího vzduchu (někdy se za vysokých teplot dusík dále oxiduje na kysličníky dusíku NOx). Při nedokonalém spalování obsahují spaliny kysličník uhelnatý, uhlovodíky CxHy a vodík. Ve spalinách jsou obsaženy také vzácné plyny a netečné plyny ze vzduchu Ar, Xe, Kr. Vodní pára tvořící vlhkost spalin vzniká jednak odpařením vody z paliva, jednak spalováním vodíku a uhlovodíků, dále z vlhkosti spalovacího vzduchu a u ofukovačů z technické páry.

     Tuhé složky spalin jsou obsaženy hlavně ve spalinách z tuhých paliv a mohou být podle teploty spalin ve třech fázích:

a)     V tuhé fázi jako struskový aerosol, škvárová zrna nebo popelový prach

b)     V kapalné fázi jako tekutá struska

c)     Ve formě par jsou zejména sloučeniny sodíku, draslíku a fosforu. Ty při ochlazování kondenzují na výhřevných plochách. Tuhé složky tvoří nánosy na výhřevných plochách, čímž snižují přestup tepla, ošlehávají a obrušují kovové části výhřevných ploch, spalinovodů i lopatek spalinových ventilátorů. Koncentrace popílku ve spalinách se bude při toku kotlem měnit a bude záviset na popelnatosti paliva, stupni zachycení popelovin v ohništi i jiných výhřevných plochách, popř. v odlučovačích.

   Stavové veličiny spalin a jejich složek

     Teplota spalin v kotli se pohybuje v rozsahu od teploty nechlazeného plamene tnp (adiabatická spalovací teplota) až po teplotu na konci ohniště tk. Tlak spalin u běžných typů kotlů ať již přetlakových či podtlakových bude blízký atmosférickému, tedy přibližně 0,1 MPa. Statický podtlak nebo přetlak v ohništi bývá řádově 101 až 102 Pa, tedy zanedbatelný. Při běžně se vyskytujících koncentracích popílků ve spalinách lze celkový objem popílku vpop připadající na 1m3 spalin zanedbat, protože hustota 1/vpop je zhruba tisíckrát větší než hustota plynných spalin ρs a vzduchu ρv, takže měrný objem skutečných spalin je možno považovat za rovný měrnému objemu čistých spalin. Pro hustotu a měrný objem spalin platí:

     Objemové koncentrace ωi jednotlivých plynných složek vyplynou ze stechiometrické rovnice spalovacích rovnic pro dané palivo.

     Vliv teploty a tlaku na měrný objem a hmotnost lze sledovat ze stavové rovnice buď pro každou složku zvlášť

nebo pro spaliny jako celek

kde při hmotnostním podílu jednotlivých složek μi = ωiρi [kg/m3] je plynová konstanta vlhkých spalin

   Tepelné a aerodynamické veličiny spalin

     Protože spalování i přenos tepla v kotli jsou prakticky děje izobarické, používá se v praxi při výpočtech výlučně měrných tepelných kapacit za konstantního tlaku.

     Měrná tepelná kapacita spalin cs [kJ/kgK] pro určitou teplotu se určí z měrných tepelných kapacit jednotlivých plynných složek ci, vodní páry cp a popílku cpop a z poměrného hmotnostního zastoupení těchto složek ve spalinách

     Častěji se při výpočtech pracuje s měrnou tepelnou kapacitou objemovou (vztaženou na 1m3 spalin) cs [kJ/m3K]. Při jejím určení se vychází z dílčích měrných objemových tepelných kapacit plynných složek ci i vodní páry cp a jejich odpovídajících objemových koncentrací ve spalinách bez přebytku vzduchu, dále z měrné objemové tepelné kapacity vlhkého vzduchu cvv a součinitele přebytku vzduchu α a z koncentrace μpop a měrné hmotnostní tepelné kapacity popílku cpop.

     Koncentrace popílku závisí na stupni zachycení popelovin v ohništi β [kg/kg], obsah popela A [kg/kg] a obsahu nespáleného uhlíku v popílku C [kg/kg]

Obr. 1 Střední měrné tepelné kapacity za stálého tlaku v závislosti na teplotě

1-suchý vzduch, 2-vlhký vzduch, 3-dusík, 4-CO2, 5-vodní pára

     Místo měrných tepelných kapacit za konstantního tlaku se často při výpočtech pracuje s entalpiemi i=Cpt, takž potom entalpie spalin:

     Pokud je při vyšších teplotách popílek nataven, je nutné ještě k entalpii přičíst skupenské teplo tavení strusky. Entalpie složek jsou uvedeny v obr. 2 a v tabulce 1.

Obr. 2 Entalpie spalinových složek v závislosti na teplotě i[kJ/kg]

t [°C]

i

[kJ/kg]

O2

N2

CO2

Ar

SO2

CO

suchý vzduch

vodní pára

popílek

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

25

32,78

32,53

31,62

23,32

46,81

32,49

32,57

39,1

43,8

100

131,7

130,0

170,0

93,07

191,2

130,2

130,0

150,5

80,8

200

267,0

260,7

357,5

186,0

394,1

261,4

261,4

304,5

169,1

300

406,8

393,3

558,9

278,8

610,4

395,0

395,1

462,6

263,8

400

550,9

528,4

772,0

371,7

836,5

531,7

531,7

626,3

360,1

500

698,7

666,1

994,4

464,7

1070

671,6

671,6

795,1

458,4

600

849,9

807,2

1225

557,3

1310

814,3

813,9

968,8

560,2

700

1003

951,2

1462

650,2

1554

960,4

959,6

1149

662,3

800

1159

1097

1705

743,1

1801

1109

1107

1334

767,0

900

1318

1246

1952

835,7

2052

1260

1258

1526

875,0

1000

1477

1397

2203

928,2

2304

1413

1410

1723

983,9

1200

1804

1708

2753

1114

2808,5

1728

1723

2120

 

1400

2134

2022

3276,5

1200

3323

2046

2034

2544

 

1500

2293

2175

3503

1393

3587

2199

2193

2779

1758

1600

2465

2338

3812

1486

3838

2365

2358

2981

 

1800

2803,5

2660

4348

1622

4363

2682,9

2653

3429

 

2000

3138

2978

4844

1857

4890

3008

3002

3925

2512

2500

4006

3794

6205

2321

6205

3830

3826

5133

 

Tab. 1Entalpie základních složek spalin [kJ/m3]

     Tepelná vodivost spalin se určí z dílčích vodivostí λi a λp a z poměrných objemů ωi jednotlivých plynných složek

     Vliv teploty na vodivost je patrný z obr. 3 popř. z rovnice (1-10).

     Konstanty ai a bi jsou znázorněny v tabulce 2. Ci značí skutečné molární měrné teplo při dané teplotě [kJ/molK].

Obr. 3 Tepelná vodivost plynů

1-O2, 2-vzduch, 3-spaliny (CO2=13%, H2O=11%), 4-N2, 5-CO2

Složka

ai

bi

10-6Ki [Pa.s]

Ai [K]

N2

250,0

238,4

1,385

102

O2

226,8

298,9

1,649

110

CO2

171,2

415,2

1,552

233

Vodní pára

 

 

2,236

961

Suchý vzduch

179,6

-193,7

1,506

122

Tab. 2 Dané konstanty pro jednotlivé složky spalin

     Dynamická a kinematická viskozita se určuje z viskozit jednotlivých plynných složek a par a ze známých poměrných objemů.

Obr. 4 Kinematická viskozita plynů v závislosti na teplotě

   Rosný bod spalin

     Vodní pára ve spalinách při teplotách spalin nižších nebo rovných rosnému bodu tr kondenzuje a způsobuje koroze výhřevných ploch. Vzniklý kondenzát pohlcuje totiž CO2 a SO2 ze spalin a tvoří s nimi kyseliny H2CO3, H2SO3 a H2SO4, které leptají povrch oceli. Spalinový kyslík pohlcený kondenzátem vyvolává elektrolytickou korozi oceli ve vodném prostředí. Aby k takovéto korozi nedocházelo, musí teplota spalin v mezní vrstvě u výhřevných ploch, resp. teplota výhřevných ploch, být vyšší než teplota tr.

     Teplota rosného bodu závisí na druhu spalovaného paliva, zejména na obsahu vody W, vodíku H a síry S, na druhu ohniště, přebytku vzduchu a částečně též na koncentraci popílku, který působí jako kondenzační jádra.

     Vliv vlhkosti spalin na tr je znázorněn na obr. 5, vliv přebytku vzduchu a obsahu síry S na obr. 6. Zejména vliv síry je pronikavý. Zvýšení obsahu síry o 1% může způsobit zvýšení tr o 20 až 50°C.

Obr. 5 Vliv vlhkosti na rosný bod spalin

Obr. 6 Vliv obsahu síry v palivu a součinitele přebytku vzduchu na rosný bod

     Hodnota rosného bodu určuje teplotu spalin na výstupu z kotle (tk>tr), a tím přímo ovlivňuje hodnotu komínové ztráty a účinnosti kotle. Poklesu teploty spalin pod teplotu rosného bodu při snížených výkonech a při najíždění se lze vyhnout recirkulací spalin nebo předehříváním spalovacího vzduchu.

 

     Příklad výpočtu teploty rosného bodu spalin je zde: Příklad 1

 

Odkazy

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

 

Citace tohoto článku

     P. Kól, Dynamika spalování, publikováno na stránkách Spalovací procesy, dostupné z http://Spalovaci-procesy.wz.cz/Spaliny.html, 2011.

     © Přemysl Kól

Zpět na domovskou stránku

TOPlist