Innehåll balans och temperatur Oorganisk Kemi I Föreläsning 5 20.4.2010 Värme i förbränning balans Värmeöverföring Temperaturer Termer och begrepp Standardbildningsentalpi Värmevärde Effektivt och kalorimetriskt värmevärde Specifik värmekapacitet Strålning, konvektion och ledning Rökgaskondensering Adiabatisk flamtemperatur Mål Att definiera sambanden mellan reaktionsvärmen och gastemperaturer i förbränningsprocessen Att introducera terminologi som används i samband med förbränningsprocesser med fasta bränslen Förbränning av fasta bränslen Bränsle: Luft: Fukt N 2 Aska O 2 Brännbar: C H O C + O 2 CO 2 4H + O 2 2H 2 O 2O O 2 N 2 N 2 Aska Aska Fukt H 2 O Rökgas: CO 2 N 2 O 2 H 2 O Aska: aska Squad task 1 Föreslå parametrar som i stor grad eller i viss mån avgör hur mycket energi man får ut vid förbränning av ett bränsle? hur starka bindningar det bryts i förbränningen värmevärde förekomst av vatten förekomst av aska (askbildande/inert material) hur fullständigt det förbränns energiförluster
balanser Termodynamik behandlas på samma sätt som ämnesbalanser Reaktanter In Ut ΔE Produkter Förbränning Standardbildningsentalpi Bränsle + luft Rökgaser ΔE Den energi som krävs för att ett ämne ska bildas utifrån de ingående grundämnena Betecknas ΔH f Grundämnenas standardbildningsentalpi = 0 0 C(s), H 2, O 2 (g) CH 4 (g) = -75 kj/mol -200-400 ΔH f (kj/mol) H 2 O(g) = -242 kj/mol CO 2 (g) = -394 kj/mol Bränsle: Förbränning av rena kolväten (t.ex. CH 4 ) Luft: Ex: CH 4 N 2 CH 4 + 2O 2 CO 2 + 2H 2 O Rökgas: CO 2 Aska: ingen Reaktionsentalpi Den mängd energi som åtgår för att en reaktion skall ske (negativt värde innebär att energi frigörs) CH 4 (g) + 2O 2 (g) CO 2 (g) + 2H 2 O(g) O 2 N 2 O 2 H 2 O ΔH r = Σ(n i ΔH f ) produkter - Σ(n i ΔH f ) reaktanter = 1(-394) + 2(-242) (1(-75) + 2(0))kJ = -803kJ
Värmevärde Vid förbränning av metan frigörs - 803kJ energi per mol metan Värmevärde: 803 kj/mol M = 12.011 + 4 1,008 g/mol = 16.043 g/mol 803 kj/mol / 16.043 g/mol = 50.0 kj/g 50.0 MJ/kg Se tabellerat värmevärde i MAOL Förutom H 2 ger CH 4 störst energi / viktsenhet Värmevärde Kalorimetriskt värmevärde den värme som frigörs vid förbränning av bränslet och då vattenångan i rökgaserna kondenserar till vatten H 2 O(g) H 2 O(l) Effektivt värmevärde den värme som frigörs vid förbränning av bränslet men då vattenångan i rökgaserna förblir i gasfas Kalorimetriskt Effektivt Fasta bränslen Kol, ved, torv, avfall, slam blandningar av ett stort antal ämnen kol, delvis grafit: C(s) ved, cellulosa: C 6 H 12 O 6 (s), hemicellulosa och lignin lättast att ange grundämnessammansättning C 52 % (av vikten) H 6 % O 41 % S... Värmevärde från C:H:O förhållandet Närmevärdesformel enligt Dubbel H i = 34.1 C + 102 H - 9.85 O där C. H och O = massandel i torrsubstans OBS! Effektivt värmevärde Squad task 2 Använd den empiriska formeln nedan för att beräkna det effektiva värmevärdet för fuktigt, torrt och askfritt bränsle H i = 34.1 C + 102 H 9.85 O Bränsle Fuktigt Torrt Torrt & Askfritt C 23,5 % 35,3 % 53,2 % H 3,1 % 4,7 % 7,0 % O 17,6 % 26,4 % 39,8 % H i (Dubbel) 9.4 MJ/kg 14.2 MJ/kg 21.4 MJ/kg H i (uppmätt) 8.7 MJ/kg 14.4 MJ/kg 21.6 MJ/kg Fuktiga bränslens värmevärde Brännbara substansen avger energi Fukten upptar energi vid förångningen Askan varken avger eller upptar energi, men tar plats H af = [brännbara substansen värmevärde] H ts = [torrsubstansen värmevärde] H i = [fuktiga bränslets värmevärde] Vad är bränslets ask och fukthalt? Askhalt: 22.1% Fukthalt: 33.7% Vilken inverkan har askan och fukten på det effektiva värmevärdet?
Effektivt värmevärde fuktigt bränsle H i = (1 A F) * H af 2.5 F (MJ/kg) A = askhalt (kg aska / kg fuktigt bränsle) F = fukthalt (kg vatten / kg fuktigt bränsle) H af = [brännbara substansen värmevärde] H i = [fuktiga bränslets värmevärde] Squad task 3 Bränsle %-C %-H %-O Ask-% Fukt-% Eff.vv MJ/kg Ved 52 6 42 0.5 10 17.4 Ved 52 6 42 0.5 30 13.0 Ved 52 6 42 0.5 50 8.5 Ved 52 6 42 0.5 70 4.1 Kol 82 5 13 10 30 18.3 Kol 82 5 13 20 30 15.1 Kol 82 5 13 30 30 12.0 Kol 82 5 13 40 30 8.8 balanser Hur mycket energi produceras? All energi från förbränningen avges i form av värme värmen upptas av rökgaserna Luft Bränsle Rökgas Aska rökgasernas C p -värde bestämer hur mycket värme som lagras per mängd rökgas värme upptas av ångan i pannväggarna rökgaserna kyls ned i pannan värmen som upptas är nyttiggjord energi värme förloras med rökgaserna ur skortstenen Värmeöverföring: rökgas vatten/ånga balanser Tillvaratagen Tillförd Förlorad
Värmeöverföring balanser Konvektion Värmetransport över fasgränsen från rökgasen till metallrörytan Ledning Värmetransport genom metallrörytan Strålning Värmetransport i form av ljus (fotoner) Tillförd med bränslet värmen i luften Nyttiggjord värme till ångan Förlorad värmen i rökgaserna Tillförd energi = Nyttiggjord energi + Förlorad energi Adiabatisk förbränningstemperatur All förbränningsvärme upptas av rökgaserna, ingen värmeöverföring indikerar maximala rökgastemperaturen alltid lägre rökgastemperturer i praktiken Procedur vid beräkning av T ad antag bränslemängd och använd luftmängd bestäm värmen i förbränningsluften (H luft ) beräkna energiomsättningen vid förbränning Procedur vid beräkning av T ad Utgå från luft och rökgasmängden per kg bränsle bestäm antal mol N 2 och O 2 i luften bestäm antal mol CO 2, H 2 O, N 2, O 2 i rökgasen Använd diagrammet på nästa sida och beräkna värmemängd i luften och rökgasen (kj) som funktion av temperturen, plotta i ett exceldiagram Utgå från värmen i förbränningsluften (kj) om annan än referenstemperturen (25 C) läs av värmemängden i luften från diagrammet Bestäm förbränningsvärmen (kj) effektiva värmevärdet för fuktigt bränsle addera värdet till värmemängden från luften Exempel T ad : värmeinnehåll Förbränningsluft och Rökgas per kg bränsle N 2 O 2 tot N 2 O 2 CO 2 H 2 O tot mol E T(K) kj/mol kj/mol kj kj/mol kj/mol kj/mol kj/mol kj E 298 0 0 0 0 0 0 E 500 6 6 6 6 8 7 E 1000 21 23 21 23 33 26 E 1500 38 41 38 41 62 48 E 2000 56 59 56 59 91 73 E 2500 74 78 74 78 122 99 Princip för T ad : plottad funktion Luft Rökgas 16000 (kj) 14000 12000 4 10000 8000 1. Luften förvärms till 700 K 2. Motsvarar ca 1500 kj 3 6000 3. Förbänningen avger 10500 kj 5 4000 4. n upptas av rökgaserna 2000 2 5. Som upphettas till 2200 K Temperatur (K) 1 0 0 500 1000 1500 2000 2500
Sammanfattning balanser kan behandlas som ämnesmängdsbalanser, d.v.s stökiometri Bränslen har olika värmevärde (energiinnehåll) som beror av sammansättning i C, H och O askhalt och framförallt fukthalt Med energibalanser kan man beräkna energiförluster (med rökgasen) adiabatisk förbränningstemperatur