Bränsleanalys och rökgaskalkyl Oorganisk Kemi I Föreläsning 3 12.4.2011
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
Innehåll Processer, flöden och systemgränser Bränsleanalyser, luft- och rökgassammansättning Inström, utström och reaktionslikheter Begränsande reagens och produkter Rökgasens sammansättning och koncentrationer
Kontinuerliga processer Systemgräns Omgivning Inström m in System (reaktor) Utström m ut m in = m ut vid fortfarighet fortfarighet = ingen ackulumering av material i processen
Flöden, mängder och tider Hur mycket material flödar in och ut genom reaktorn uttryckt som Massflöde m& (kg/s) (ton/år) Volymflöde V & (m 3 /s) gaser Molflöde n& (mol/s) ämnen Mängden material i reaktorn fås ur reaktorns volym, V (m 3 ), och materialets densitet, ρ (kg/m 3 ) eller ämnenas molmassa, M (kmol/kg) Medeluppehållstiden, t, i reaktorn: V t = V&
Dela upp processen Systemet kan behöva delas upp i flera steg (1, 2,...) för att beskriva kemin i olika delar av processen: Ugnen ev. tillförsel Rökgasrening Inström m in System 1 System 2 Utström m ut ev. avskiljning
Bränslesammansättning Makronivå för avfallsbränslen: Plåtburk, kartong, plastpåse Mikronivå: Kolväten som är brännbara Annat som inte är brännbart Sand, metall, salt Fukt som förångas
Bränslet Brännbar substans Aska Fukt ASKA BRÄNNBAR Kol Väte FUKT Syre
Proximate analysis 100 % bränsle fukt (ar = as recieved) leveranstillstånd torrsubstans (ds = dry solids) flyktig andel koks fast kol brännbar substans aska aska fukt + brännbar substans + aska = 100%
Ultimate analysis Denna används för beräkningar
Bränsledatabas på nätet Följ länken (också via kurssidan i Moodle) www.ecn.nl/phyllis/ 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
Rökgassammansättning Huvudkomponenter (> 1% av rökgas) CO 2 H 2 O N 2 O 2 Föroreningar alt oönskade (< 1% av rökgas) CO NO SO 2
In- och utströmmar i förbränning Bränsle: Luft: Kolväten 21% O 2 Metall 79% N 2 Sand/Jord Vatten Rökgas: N 2 CO 2 H 2 O O 2 Aska: sand metall CO NO SO 2
Ekvationssystem Går att lösa om det finns lika många ekvationer som det finns okända Okända: Ekvationer: CO 2 C + O 2 CO 2 H 2 O 4H + O 2 2H 2 O H 2 O(l) H 2 O(g) O 2 2O O 2 N 2 N 2 N 2
Inström, utström och reaktionslikheter 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
Varifrån tas syret? Syret ur luften O 2 Syret i bränslet i den brännbara substansen O men inte i fukten H 2 O och inte i askan SiO 2...
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
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 * nödvändigt syre med luften: Σ = 20 mol I rökgasen: N 2 = 3.77 O 2 = 3.77 20 = 75 mol 60 % CO 2 = C = 21 = 21 mol 17 % H 2 O = ½ H + fukt ½ 25 + 17 = 29 mol 23 % Totalt 125 mol 100%
Egen rökgaskalkyl Ämne mass-% g i 1 kg mol i 1 kg mol O 2 C % H % O % Fukt % O 2 * nödvändigt 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 %
Luftfaktor Luftfaktorn lambda, λ, visar hur mycket luft som tillsätts i förhållande till nödvändig mängd: λ = O2tillsatt O nödvändig 2 λ = 1 stökiometrisk förbränning λ < 1 luftunderskott λ > 1 luftöverskott
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 nödvändigt 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 * 3.77 1.25 20 = 94 mol 63 % CO 2 C 21 = 21 mol 14 % H 2 O ½ H + fukt ½ 25 + 17 = 29 mol 19 % Totalt Σ = 149 mol 100 %
Egen rökgaskalkyl, λ = % Ämne mass-% g i 1 kg mol i 1 kg mol O 2 C % g mol mol H % g mol mol O % g mol mol fukt % g mol nödvändigt syre med luften O 2 *: mol O 2 = (λ-1) O 2 * ( -1) = mol % N 2 = 3.77 λ O 2 * 3.77 = mol CO 2 C = mol % H 2 O ½ H + fukt ½ + = mol % Total mol 100%
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
Rökgaskalkyl III, torr rökgas Ämne våt rökgas vol-% torr rökgas vol-% faktor O 2 5 mol 3 % 5 mol 4 % 1.24 94 mol 63 % 94 mol 78 % 1.24 N 2 CO 2 H 2 O n tot 21 mol 14 % 21 mol 18 % 1.24 29 mol 20 % 0 mol 149 mol 100 % 120 mol 100 %
Egen rökgaskalkyl, torr rökgas Ämne O 2 N 2 CO 2 H 2 O n tot våt rökgas mol mol mol mol mol vol-% % % % % 100 % torr rökgas mol mol mol 0 mol mol vol-% % % % 100 % faktor
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
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% 5 + 17 mol 11% N 2 94 mol 78% 94 + 65 mol 79% CO 2 21 mol 18% 21 mol 10% 0.59 Σ: 202 mol
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-% = 10 000 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
Enhetsomvandlingar, NO: 22.9 mg/nm 3 mg/nm 3 vad motsvarar det i ppm? 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 = 101300 Pa 1 m 3 / (8.314 J/(mol K) 273K) = 44.6 mol M(NO) = 14 + 16 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 = 17.1 10-6 22.9 mg NO / Nm 3 rökgas = 17.1 ppm NO
Sammanfattning Ett bränsle består av en brännbar del: mestadels 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