Instuderingsfrågor Lösningar Wester kap 3-5

Transkript

1 Instuderingsfrågor Lösningar Wester kap 3-5 FÖRBRÄNNINGSTEKNIK WESTER KAP 3-5 (Typ Repetition FFP, Förbränningskemi) 1. Vilken fuktkvot har ett bränsle om torrhalten är 60%? (U = 0,4/0.6 = 67%). Vad skiljer det kalorimetriska (H s, HHV) mot det effektiva (H i, LHV) värmevärdet? h fg = 44 kj/kg 3. Ett torvbränsle har i elementaranalys (totaltillstånd) en kolhalt av 9 mass-%. Vilken är kolhalten för torrt bränsle om fukthalten var 47%? (0.9/0.53 = 4%) 4. Man torkar torven i uppg. 3 och bestämmer H i,ts till =,5 MJ/kg torrt bränsle. Vad blir då H i för per kg TS resp. per kg fuktigt bränsle? (H i = /0.53*.44 = 0,3 MJ/kg TS eller Hi = 0.53*0.3 = 10.8 MJ/kg fuktigt bränsle) KAP 3 5. Använd mallen för förbränningsräkning som finns på hemsidan (Beräkningsmall.xls) för att beräkna luftbehov och totala rökgasflödet för förbränning av torven i uppg. 3 med 0% luftöverskott (fukt i luft = 0.01 mol H O/mol torr luft). Beräkna luft- och gasflöden baserat på både totalt fuktigt bränsle och TS bränsle. Data kompletteras med C 9% H 3% N 1% O 17% S 0.1% A 3% F 47% (l =15.9 mol/kg, g=191.3 mol/kg; l TS = 86.4 mol/kg TS, g TS =360, mol/kg TS) 6. Hur kan man bestämma luftfaktorn ur CO -halten i rökgaser? se ekv och diagram 3. sid Vilka är de tre T.na som medför god förbränning? Tid, temperatur och turbulens 8. Vad är en spreader stoker, och vad skiljer en wanderrost från andra rostrar? En spreader stoker är en bränsleinmatningsanordning. Istället för att föra in bränslet via en ficka eller stup så kastas bränslet in med en spreader stoker. Den kan antingen drivas mekaniskt eller med tryckluft. Wanderrost är en rörlig rostertyp. Rostret består av stavar som bildar en matta som rör sig genom pannan. Effekten regleras genom tjockleken på det inmatade bränsleskiktet samt hastigheten på rostmattan. 9. Hur sker askutmatning i rosterpanor med rörlig bädd? I rosterpannor med rörlig bädd sker askutmatningen allt eftersom nytt bränsle matas in i pannan. Bränslet matas in i ena delen av pannan och transportmekanismer transporterar bränslet sakta genom pannan tills det endast finns kvar aska. Detta faller i slutet på transportbandet ner i askutloppet.

2 10. Vad är en fluidiserad bädd? Fluidiserad bädd eller virvelbädd har ett bäddmaterial av sand. Bädden svävar ovan primärluften som lyfter/fluidiserar den. Partiklarna i bädden antar ett fluidiserande tillstånd. Om man utgår från en bädd med partiklar och pressar luft genom bädden kommer den att fungera som ett filter med ett ökande tryckfall över bädden när hastigheten ökar. När hastigheten når ett visst värde ökar inte tryckfallet över bädden längre och då har den uppnått fluidisering. Fluidiserande bäddar delas in i olika typer. Först har man den bubblande bädden som har en ungefärlig lufthastighet på ca 3 m/s och sen har vi den cirkulerande som har en lufthastighet på ca 5-6m/s. 11. Rita enkelt diagram och visa hur tryckfallet varierar över en fluidiserad bädd med luftflödet? Visa även principiellt vid vilka luftflöden en bubblande resp. cirkulerande bädd arbetar. Se diagram sid Varför är NOx-bildningen avsevärt lägre i en fluidpanna jämfört med en konventionell panna? NOx-bildningen i en fluidpanna är avsevärt lägre än i en konventionellpanna eftersom NOx-bildningen sker i första hand vid betydligt högre temperaturer. NOxbildningen är låg inom de temperaturintervall där bädden används ( C). Blir temperaturen för låg kan det bildas dikväveoxid (NO). KAP Beräkna luftens sammansättning i mol-% resp. vikts-%. Utgå från att luften är torr och att den består av 1 vol-% syre och resten kväve (Svar 3.3 vikts-% O ) Vol% mol% (100 mol) O N 1% 1mol 79% 79mol 100 mol massan 1mol (3g / mol) 67g 79mol (8g / mol) 1g Tot 884 g/100 mol Vikts % 67 1 O 3,3% N 76,7% Hur många mol innehåller en Normalkubikmeter [m 3 n] rökgaser av 700 C? Anta att rökgaserna följer allmänna gaslagen. (44.6 mol; 0.04 mol/ m 3 n ) En normalkubikmedet räknas alltid vid 1 atm och 0 o C. Med R = [Pa m 3 ]/[mol K] blir n = PV/RT = (101300*1)/(8,314*73,15) = 44,6 mol 15. Vad innebär det om ett c p -värde är ett lokalt värde eller ett medelvärde? Lokalt Cp-värde gäller är värdet vid aktuell temperatur.eett medel Cp-värde gäller mellan aktuell temperatur och 5 o C. Om man tex. vill veta hur mycket energi som frigörs mellan två temperaturer, T1 och T, kan följande ekv. användas: Vid användning av ett medelvärde så baseras Cp på medelvärdet mellan T1 och T. Vill man ha ett exakt värde får man lösa integralen, där temperaturen för entalpiskalans nollpunkt utgör ena temperaturen, (sätts ofta till 0 C då beräkningen blir enkel). h h1 h Cp *( T1T ) T T1 Cp( T) * dt

3 16. Använd tabellerna på sid 155 och 156 för att bestämma hjälpstorheterna B och för rökgaser från ett bränsle med 65 % C, 15 % aska och ett värmevärde Hi (=Hu) = 6 MJ/kg (B= kj/(m 3.CO ), = 0.4) (Se utritad linje på sid ) 17. Bestäm medel-cp och lokalt Cp-värde för rökgasen i upg. 16 vid en temperatur av 700 C, och en CO -halt på 14.5%. (1.46 resp kj/(m 3 n - K)) För att få bättre förståelse för hur man får ut svaren i uppgift 16 ser man på sidan 155 och 156 under flik 16 i pärmen. För att få ut värden på medel-cp och lokalt cp går man in på sidan 159 resp. 160 i aktuellt diagram under flik 16 i pärmen.värdet för B kan man bortse från. I båda dessa diagram börjar man att utgå från höger på Y-axeln där man anger värdet givet för = 0.4. Sedan går man rakt till vänster för att skära linjen vid värdet för CO -halten vilken är given 14.5 %. Efter att man gjort detta skall man gå rakt upp i diagrammet och skära temperaturlinjen för 700 C given. Härifrån skall man gå rakt till vänster för att kunna läsa av värdet på Y-axeln för specifikt värme i den enhet som man skall ha vilken är kj/m 3 n K. Om du vill ha svaret i kcal/m 3 n K skall man i stället gå till höger. Detta ger mig svaren medel-cp = kj/m 3 n K och ett lokalt cp = kj/m 3 n K. 18. Vilket Cp-värde skall man använda om rökgaserna från uppg. 16 kyls från 1000 C till 400 C? (1.59 kj/(m 3 n - K) = 35 J/mol,K) Använd diagram sid 160 under flik16 Två parametrarna du vet är Tmedel=700 C, mängd CO=14.5 ger cp =1.59 kj/mol,k 19. Använd överslagsdiagram sid 166 i Tabeller och diagram för att bestämma samma Cp-värden. Rökgaserna innehåller 5.3 % H O. (1.58 kj/(m 3 n - K)) Från uppgift 17 får vi en CO-halt på 14,5 % och från uppgift 18 fås en medel temperatur på 700 C. Använd diagram på s166 i Tabeller och diagram. Börja i högra hörnet gå in med temperaturen 700 C och 0,36. Gå rakt upp till CO halten 0,145. Följ den vågräta linjen ut i det stora diagrammet till temperaturen 700 C. Gå rakt åt vänster. Detta ger ett Cp 1,58 kj/m3n*k 0. Vad kan man tjäna på att tillsätta extra fukt till förbränningsluften? Vilken extra utrustning krävs för att det ska vara någon poäng med uppfuktning? Det man kan tjäna på att fukta upp luften är att daggpunkten för kondenserande rökgaser stiger. Dels kan man få ut mer värme vid kondensationen, och dels kan man få ut kondensationsvärmen vid en högre temperatur. Det man behöver för att kunna ta tillvara på energin ur den fuktiga rökgasen är en rökgaskondensering. Värmen från rökgaskondenseringen kan man värma fjärrvärmevattnet med. 1. Vilket är det dominerande problemet med rökgaskondensering? Det dominerande problemet med rökgaskondensering är att olika syror kondenserar ut, vilket kan leda till korrossion.. Hur kan man prodducera det ljumma vattnet man sprutar in vid luftuppfuktning? Varför är det osmart att använda kallvatten? Det ljumma vattnet kan produceras genom kylning av rökgaserna så att temperaturen hamnar under den temp. returledningen från fjärrvärmen håller. Med luftuppfuktning höjs daggpunkten och därmed den utvinnbara energin. Med användning av kallt vatten skulle man få en låg och dålig daggpunkt och därmed liten utvinnbar energi. 3. Rita en skiss och visa hur rökgaskondensering med luftuppfuktning fungerar. I figuren skall förutom vattennströmmar och rökgasströmmar förljande komponenter finnas

4 med: Uppfuktningstorn, panna, fjärrvärmekondensor och kondensor där befuktningsvattnet värms. Se Figur 4.5 sidan 107 i Förbrännings- och rökgasreningsteknik (Wester) 4. Bestäm syradaggpunkten för en rökgas med 1 ppm(v) SO och en vattendagggpunkt på 45 C (ca. 116 C) Detta gör man i termodynamikboken ur tabell A-4, sidan 830 och ger P = kpa. Värdet för trycket på H SO 4 = 1 ppm. När man har dessa värden går man in i figur 4.7 på sidan 110 under flik i pärmen. Värdet på trycket för vattnets daggpunkt skall sättas in i de linjer som finns i diagrammet. Jag avrundade kpa till 100 mbar och då väljs den linjen. Värdet för trycket på H SO 4 -axeln. När jag sätter in mina värden så läser jag av svaret på Y-axeln och får att syradaggpunkten = 115 C. KAP 5 5. Hur beräknas nyttig effekt för en panna i en ånganläggning resp. i en hetvattenanläggning? Nyttig effekt= *Cp*(tut-tin) 6. Rita en enkel skiss över en panna och visa systemgränserna för beräkning av pannverkningsgrad. Se figur nedan eller figur 5,1 i Wester 7. Ta fram ett samband för tillförd effekt P t = m TS * konst för bränslet i uppg. 5 om lufttemperaturen in i pannan är 10 C och hjälpeffekten kan försummas ( P hj = 0)

5 Tillförd Effekt P t F F. Pt mts H its 44 TS c 1 = Bränsle flöde torrsubstans [kg/s] m TS H its = 19700[kJ/kg] F = 47 % = 86,4 c TS pl = 9,1 [kj/molk] t 1 = 10 o C pl t 1 5 Svar: Pt mts 17586kJ / kg 8. Den bränsleenergi som inte tas upp i pannan går bort i form av förluster, vilka) För bränsleenergi som inte tas upp i pannan händer följande: - Rökgasförluster - Strålnings- och ledningsförluster - Förluster genom oförbränt i gas och fast form. 9. Förklara respektive förlustpost översiktligt. Rökgaserna: Rökgaserna som lämnar pannan och far ut genom skorstenen är varma även om man tagit tillvara en del genom rökgaskondensering. Detta är den enskilt största förlustposten. Rökgasförlusten kan beräknas med ekv. 5.9 (se sid10 kap 5.3.3) eller mera förenklat med ekv. 5.10, sid 1. Lednings- och strålningsförluster: Hit hör allt värmeläckage från pannan ytterytor. Lednings- och strålningsförlusterna ökar med ökat panneffekt. Olje- och gaseldade pannor har minsta förlusten/mw panneffekt då pannvolymen på dessa är mindre än tex. kol- och träpannor. Den procentuella förlusten är i princip proportionell mot dellasten, då pannkroppens temperatur knappt ändras vid dellastkörning. Oförbrännt i gasfas: Mycket liten förlustpost som är svår att mäta p.g.a. de låga halterna. Oförbrända gaser, främst CO, H samt kolväten lämnar pannan på grund av ej optimala förbränningsparametrar. Det ej utnyttjade energiinnehållet i dessa gaser drar därmed ner verkningsgraden. Askförlust: Efter förbränningen i pannan finns en del brännbara partiklar kvar vilket hamnar i askan. En del faller även ner genom rosten. Förlusteffekten varierar givetvis med bränslet men ett ungefärligt värde är 30 MJ/kg. Övriga förluster: Slagg eller bottenaska kan ha hög temperatur vid utmatningen och utgör därmed en värmeförlust. Vissa komponenter kan behöva kylning för att fungera optimalt ex. pumpar, brännare, rökgascirkulationsfläktar och denna kylning påverkar verkningsgraden. 30. Beskriv skillnaden mellan direkta och indirekta metoden vid beräkning av pannverkningsgrad Direkt verkningsgrad Man mäter eller bestämmer de båda ingående storheterna,

6 nyttiggjord och tillförd, direkt. Indirekt verkningsgrad Man beräknar förlusterna i systemet som rökgasförluster, strålnings- och ledningsförluster och förluster genom oförbränt i gasform och i fast form. 31. Varför kan det ibland vara bättre att beräkna verkningsgraden utifrån den indirekta metoden? Den indirekta metoden funkar bättre vid beräkning av fasta bränslen då man kan få svårt att bestämma bränslets energiinnehåll och massflöde (då man ställer inmatningen efter volym och bränslet kan variera i densitet och i sammansättning). Metoden funkar särskilt bra för biobränslen. Vid den indirekta verkningsgraden utgår man från 1 och subtraherar förlusterna. Metoden är noggrann och felet är litet då posterna är flera och relativt små. Det som kan vara svårt att uppskatta är strålnings och ledningsförlusterna som dock är rätt små. Dessa kan läsas ur ett diagram med uppskattade värden. 3. Gör en beräkning av pannverkningsgraden för förbränning av bränslet i uppg. 5 (uppg. 7) med tillägg av följande data: - Rökgastemperatur 150 C - Andel brännbart i aska 15% - Panneffekt 0 MW - Halt CO i rökgaser 50 ppm Använd indirekt metod och bestäm rel. rökgasförlusten både med ekv. 5.9 och mha, Siegerts formel, 33. Vilket energiutbyte uppnås i anläggningen ovan, om man bygger till en rökgaskondensering, där rökgaserna kyls till 40 C. 34. Hur bör man beräkna pannverkningsgraden i avfallsförbränningsanläggningar? P =verkningsgrad Pn= nyttig effekt Prg=förluster rökgaser P = Pn /( Pn +Prg)) Den skillnad som man får när det gäller sopförbränning jämfört med andra anläggningar är att vi vet inte riktigt hur mkt energi vi för in genom mätningar på bränslet. Rökgasförlusterna baseras helt på mätningar. 35. Hur bestämmer man enklast fukthalt i bränsle vid online-bestämning av pannverkningsgrad? Fukthalten i bränslet bestäms enklast genom att använda ett gasanalysinstrument som mäter vatteninnehållet i rökgaserna. Därefter så bestämmer man fuktinnehållet i bränslet genom sambandet mellan fukthalten i rökgaserna och fukthalten i bränslet. Härledning finns i Wester s Hur bör man gå tillväga för att beräkna ett sk. energiutbyte för en anläggning med rökgaskondensering om man vill använda den indirekta metoden med effektiva värmevärdet? Man bör räkna pannverkningsgraden och rökgaskondeseringen var för sig. Om man inte gör det kan man få att pannan har en verkningsgrad över 100% som inte är rimligt. Därför är det bättre att räkna på ett energiutbyte i stället för verkningsgrad när man vet energiflöder in i pannan.

7 37. Teckna ett uttryck för en energibalans för en ekonomiser. P eko = m bts *g ts *C pg (t gin -t gut )= mv*c pv (t vut -t vin ) 38. Vilken parameter har störst inverkan på en känslighetsanalys av en pannas verkningsgrad