Bränsleanalys och rökgaskalkyl. Oorganisk Kemi I Föreläsning

Transkript

1 Bränsleanalys och rökgaskalkyl Oorganisk Kemi I Föreläsning

2 Innehåll Rökgassammansättning Bränslesammansättning Förbränningsreaktioner Lufttillförsel Askan

3 Termer och begrepp Fasta bränslen Leverenstillstånd Torrt och askfritt Luftfaktor Våt rökgas Aska

4 Mål Att tillämpa det första trappsteget i processkemistens verktygslåda: Definiera stökiometriska samband mellan reaktant och produkt i förbränningsprocessen Att introducera terminologi som används i samband med förbränningsprocesser med fasta bränslen

5 Vad är känt om förbränningsprocesser? Bränsle: Luft: Kolväten 21% O 2 Metall 79% N 2 Sand Vatten Rökgas: N 2 CO 2 H 2 O O 2 Aska: kol metall sand CO NO SO 2

6 Rökgassammansättning Huvudkomponenter (> 1% av rökgas) CO 2 N 2 H 2 O O 2 Föroreningar alt oönskade (< 1% av rökgas) CO NO SO 2

7 Enhetskonvertering - koncentrationer Vanliga enheter för gaskoncentrationer: vol-% volymprocent ppm miljondelar (parts per million) mg/nm 3 mg per normalkubikmeter molbråk, X i mol av ämne i per totalt antal mol 1 vol-% = ppm 1 ppm = 10-4 vol-% = 10-6 För att konvertera mg/nm 3 antas ideal gas p V= n R T och m = M n m V mg Nm = 3 = pi M R T i vol % 100% = X i = p p i tot = m V R T M i

8 Enhetsomvandlingar, NO: 22.9 mg/nm 3 mg/nm 3 vad motsvarar det i mol-% 1 Nm 3 = 1 m 3 vid 0 C och 1 atm, antag ideal gas: p V = n R T n = p V / R T = Pa 1 m 3 / (8.314 J/(mol K) 273K) = 44.6 mol mol-% = mol ämne per antal mol rökgas M(NO) = g/mol = 30 mg/mmol n = m/m = 22.9 mg / 30 mg/mmol = 0.76 mmol 0.76 mmol NO / 44.6 mol rökgas = mg NO / Nm 3 rökgas = 17 ppm NO

9 Koncentrationer i Torr & Våt rökgas Torr rökgas: utan vattenånga Vanlig vid gasanalys gasen kyls innan analys; vattenånga kondenserar och avskiljs Koncentration i torr rökgas rapporteras Våt rökgas: med vattenånga Verklig rökgas innehåller vattenånga (i de allra flesta fall) Koncentration i verklig rökgas är lägre ( 1 X ) Ci, våt = Ci, torr H 2O

10 Bränslesammansättning Makronivå för avfallsbränslen: Plåtburk, kartong, plastpåse Lite mera kemiskt: Kolväten som är brännbara Annat som inte är brännbart Sand, metall, salt Fukt som förångas

11 Bränslet Brännbar substans Aska Fukt ASKA BRÄNNBAR Kol Väte FUKT Syre

12 Analyser av fasta bränslen 100 % Bränsle Fukt lufttorr (ad) eller leverans tillstånd (ar) Torr substans (TS) (ds) eller torr (d) Flyktig andel Koks Fast kol Aska Aska Fukt +Flyktig andel + Fast kol + Aska = 100%

13 Bränsleanalys

14 Bränsledatabas på nätet Följ länken via kurssidan i Moodle (högra kolumnen) För att se bränsleanalyser, välj: average composition of a group of materials composition of a single material, eller search for materials För att se hur bränslena kategoriseras, se selection via NTA 8003 Hushållsavfall = MSW Municipal Solid Waste

15 Vad är känt om förbränningsprocesser? Bränsle: Luft: C + O 2 CO 2 4H + O 2 2H 2 O 2O O 2 Rökgas: Aska: Fukt N 2 Aska O 2 Brännbar: N 2 N 2 Aska Aska Fukt H 2 O CO 2 N 2 O 2 aska C H 2 O H O

16 Syret ur luften Oxidationsmedel O 2 Syret i bränslet i den brännbara substansen O men inte i fukten H 2 O och inte i askan SiO 2...

17 Erforderlig mängd syre O 2 * Hur mycket syre krävs för fullständig förbränning av 1 kg bränsle? lika mycket O 2 som det finns C (i mol) ¼O 2 som det finns H (i mol) Denna mängd syre tas från allt syre i bränslet (utom i fukt och aska) resterande mängd från förbränningsluften Syre från luft. no 2 * = nc + ¼nH ½nO

18 Luftfaktor Luftfaktorn lambda, λ, visar hur mycket luft som sätts till i förhållande till erforderlig mängd: λ = O verklig O teoretisk 2 2 λ = 1 stökiometrisk förbränning λ < 1 luftunderskott λ > 1 luftöverskott

19 Termer och begrepp Fasta bränslen Bränslen som inte är gasformiga eller flytande Leveranstillstånd As recieved, dvs bränslet innehållande fukt och aska Torrt och askfritt Den brännbara andelen av bränslet (C, H, O) Luftfaktor syre som tillsätts i förhållande till erforderlig mängd Våt rökgas Den verkliga rökgasen (rökgasen torkas innan analys) Aska Den fasta återstoden av ett bränsle efter förbränning

20 Rökgaskalkyl I Ämne mass-% g i 1 kg mol i 1 kg mol O 2 C 25.0 % 250 g 21 mol 21 mol H 2.5 % 25 g 25 mol 6 mol O 22.5 % 225 g 14 mol - 7 mol Fukt 30.0 % 300 g 17 mol O 2 * erfoderligt syre med luften: Σ = 20 mol I rökgasen: N 2 = 3.77 O 2 = = 75 mol 60 % CO 2 = C = 21 = 21 mol 17 % H 2 O = ½ H + fukt ½ = 29 mol 23 % Totalt 125 mol 100%

21 Squad task: Rökgaskalkyl Ämne mass-% g i 1 kg mol i 1 kg mol O 2 C 21,7 % H 2,9 % O 15,0 % Fukt 40.1 % O 2 * erfoderligt syre med luften: mol I rökgasen: N 2 = 3.77 O 2 * mol % CO 2 = C mol % H 2 O = ½ H + fukt mol % Totalt mol 100 %

22 Luftfaktor Luftfaktorn lambda, λ, visar hur mycket luft som sätts till i förhållande till erforderlig mängd: λ = O verklig O teoretisk 2 2 λ = 1 stökiometrisk förbränning λ < 1 luftunderskott λ > 1 luftöverskott

23 Rökgaskalkyl II λ = 1.25 Ämne mass-% g i 1 kg mol i 1 kg mol O 2 C 25.0 % 250 g 21 mol 21 mol H 2.5 % 25 g 25 mol 6 mol O 22.5 % 225 g 14 mol - 7 mol fukt 30.0 % 300 g 17 mol erfoderligt syre med luften O 2 *: Σ = 20 mol O 2 = (λ-1) O 2 * (1.25 1) 20 = 5 mol 3 % N 2 = 3.77 λ O 2 * = 94 mol 63 % CO 2 C 21 = 21 mol 14 % H 2 O ½ H + fukt ½ = 29 mol 19 % Totalt Σ = 149 mol 100 %

24 Squad task, verklig gas λ = 1.75 Ämne mass-% g i 1 kg mol i 1 kg mol O 2 C 21,7 % 217 g 18 mol 18 mol H 2,9 % 29 g 29 mol 7 mol O 15,0 % 150 g 9 mol - 5 mol fukt 40.1 % 401 g 22 mol erfoderligt syre med luften O 2 *: 20 mol O 2 = (λ-1) O 2 * (1.75-1) 20 = 15 mol 7 % N 2 = 3.77 λ O 2 * =132 mol 65 % CO 2 C 18 = 18 mol 9 % H 2 O ½ H + fukt ½ = 37 mol 18 % Total 202 mol 100%

25 Rökgaskalkyl III torr rökgas Ämne våt rökgas vol-% torr rökgas vol-% faktor O 2 5 mol 3 % 5 mol 4 % mol 63 % 94 mol 78 % 1.24 N 2 CO 2 H 2 O n tot 21 mol 14 % 21 mol 18 % mol 20 % 0 mol 149 mol 100 % 120 mol 100 %

26 O 2 Rökgaskalkyl IV 11 vol-% O 2 Ämne torr rökgas vol-% korr rökgas O 2 5 mol 4% 5 mol + O a 2 vol-% faktor 11% n tot 120 mol 100% Adderade mängder syre O 2a och kväve N a 2 O 2a = (11% n tot -O 2 )/(1-11% 4.77) = 17 mol N 2a = 3.77 O 2a = 65 mol 5 mol 4% mol 11% N 2 94 mol 78% mol 79% CO 2 21 mol 18% 21 mol 10% 0.59 Σ: 202 mol

27 Sammanfattning rökgaskalkyl Bestämma rökgassammansättningen m.h.a. förbränningsreaktionslikheterna Luftfaktor avgör syrehalten i rökgasen Torr rökgas bortser från vattenångan Standardiserad emissionsrapportering anger emissioner i rökgas med 11% O 2

28 Sammanfattning Ett bränsle består av en brännbar del: framförallt C, H och O fukt: H 2 O som förångas vid förbränningen aska: andelen av bränslet som inte blir rökgas Förbränningsreaktionerna är C + O 2 (g) CO 2 (g) H + ¼O 2 (g) ½H 2 O(g) Syre från luften: no 2 * = nc + ¼nH ½nO Rökgassammansättningen kan beräknas