Technologie energetyczne - ebook

PRZEDMOWA

Wytwarzanie energii elektrycznej i ciepła z wysoką efektywnością (ogólnie rozumianą) było zawsze podstawą rozwoju cywilizacyjnego. Wobec istotnych wyzwań ekologicznych (ochrona klimatu, zmniejszenie zanieczyszczeń atmosfery, ochrona zasobów paliwowych i innych), które po ostatnim wydaniu tej książki zostały wyraźnie wzmocnione, zagadnienie to nabiera współcześnie jeszcze większego znaczenia. W następstwie cały system energetyczny podlega dynamicznym zmianom technologicznym. Zmienia się struktura wykorzystywanej energii pierwotnej i udział technologii źródeł odnawialnych w produkcji elektryczności i ciepła oraz nowych paliw. W nowym wydaniu przekazywanej w ręce Czytelnika książki starano się uwzględnić podstawowe tendencje tych zmian. Podobnie jak w poprzednim wydaniu przedstawiono główne rodzaje technologii energetycznych. Kryterium wyboru był stan zaawansowania ich rozwoju, gwarantujący praktyczne zastosowanie danych rozwiązań. Starano się także wskazać na możliwe kierunki dalszego ich doskonalenia.

Ważnym przy tym było zachowanie funkcji dydaktycznych opracowania. Jego zakres odpowiada zasadniczo procesowi dydaktycznemu na kierunkach Energetyka oraz Mechanika i Budowa Maszyn. Wiele z działów podręcznika może być także pomocnych dla studentów interesujących się energetyką, a studiujących inne kierunki, na przykład: inżynierię środowiska, elektrotechnikę, inżynierię bezpieczeństwa oraz gospodarkę obiegu zamkniętego. Wiele działów podręcznika może być przydatnych dla słuchaczy studiów podyplomowych i pracowników instytucji przemysłowych oraz projektowych.

W niniejszym wydaniu uaktualniono i poprawiono wszystkie rozdziały, z tym że w rozdziałach: 5, 13, 15 korekty są bardzo nieznaczne.

W pierwszych rozdziałach książki (od 1 do 5) omówiono zasoby paliwowe (paliw kopalnych i odnawialnych), pojęcie systemu energetycznego, oddziaływanie technologii z systemem: ochrona środowiska, właściwości paliw, klasyfikacje technologii, pojęcia obiegu porównawczego i sprawności oraz bilanse substancji i energii. Wskazano na podstawowe kryteria klasyfikacji technologii energetycznych oraz miary ich oceny. Szczegółowiej przedstawiono podstawowe właściwości paliw stałych, ciekłych, gazowych (w tym wodoru) oraz biomasy. Omówiono zagadnienie bilansowania procesu spalania oraz zdefiniowano egzergię paliwa.

W rozdziałach następnych (od 6 do 16) przedstawiono poszczególne technologie. Rozdział 6 poświęcono omówieniu siłowni kondensacyjnych. Najpierw przedyskutowano optymalne parametry układu ze szczególnym uwzględnieniem regeneracji. Wyodrębniono i opisano podstawowe moduły technologiczne elektrowni kondensacyjnej. W porównaniu do wcześniejszego wydania szerzej przedstawiono zagadnienia oczyszczania spalin, odzysku ciepła ze spalin oraz separacji ditlenku węgla.

W rozdziale 7 zawarto informacje dotyczące prostych zespołów turbin gazowych, ich teorii, dostępnych konstrukcji, zakresu ich zastosowania oraz wybrane problemy dotyczące eksploatacji układów.

Zagadnienia hierarchicznych układów energetycznych (głównie układów gazowo-parowych, gazowo-powietrznych i układów zintegrowanych ze zgazowaniem węgla) omówiono w rozdziale 8. Podano klasyfikację układów gazowo-parowych, ich analizę termodynamiczną, metodologię poszukiwania optymalnych parametrów różnych opcji technologicznych, opisano główne moduły oraz wybrane zagadnienia eksploatacyjne. Omówiono układy wielopaliwowe.

W rozdziale 9 przedstawiono technologie skojarzonej produkcji ciepła i energii elektrycznej. Osobno przedyskutowano problematykę elektrociepłowni klasycznych oraz elektrociepłowni gazowych i gazowo-parowych. Szczegółowiej przedstawiono wpływ dopalania na efektywność elektrociepłowni gazowo-parowych oraz zagadnienie oszczędności energii chemicznej paliwa w procesie skojarzonej produkcji ciepła i elektryczności.

Zagadnienia siłowni jądrowych ujęto w rozdziale 10. Zwrócono uwagę na rodzaje układów cieplnych, sposoby zagospodarowania odpadów oraz kierunki rozwoju.

Następne rozdziały poświęcono kolejno zagadnieniom: energetyki wiatrowej (11), słonecznej (12), wodnej (13), ogniw paliwowych (14), geotermii (15) oraz technologii wykorzystania biomasy (16). Omówiono podstawy teoretyczne oraz obszary zastosowań.

Rozdział 11 poświęcony energetyce wiatrowej zawiera podstawowe informacje o metodach opisujących rozkład prędkości wiatru w strefie przyziemnej, teorii turbin wiatrowych oraz ich podstawowych charakterystykach, w tym charakterystykach akustycznych. Podano przykłady dostępnych konstrukcji turbin wiatrowych (do zastosowania offshore i onshore).

W rozdziale 12 omówiono technologiczne aspekty konwersji promieniowania elektromagnetycznego Słońca w ciepło (w kolektorach słonecznych) i elektryczność (w ogniwach słonecznych). Rozwinięto informacje o charakterystykach termodynamicznych promieniowania słonecznego oraz określono maksymalny potencjał konwersji promieniowania w elektryczność i ciepło. Przedstawiono zarys teorii kolektorów i ogniw oraz metody określenia ich podstawowych charakterystyk.

Omówiono ogniwa paliwowe (rozdział 14), ich teorię, sposoby teoretycznego i eksperymentalnego określenia charakterystyk napięciowo-prądowych oraz podstawowe układy ich wykorzystania w energetyce.

Ostatni rozdział 16 książki poświęcono problematyce energetycznego wykorzystania biomasy. Zagadnienie to wyodrębniono jako osobny rozdział głównie z powodu znaczenia tej technologii dla ograniczenia zużycia klasycznych paliw węglowych i węglowodorowych i tym samym zmniejszenia emisji CO₂.

W rozdziałach zawierających omówienie technologii wiele zagadnień szczegółowych ilustrowano przykładami obliczeniowymi. Powinny one ułatwić zrozumienie istoty technologii i być źródłem wiedzy praktycznej.

W wykładzie poszczególnych działów technologii akcentowano głównie zagadnienia termodynamiczne i ekologiczne, w tym zmniejszenie emisji CO₂, mniej uwagi poświęcono analizom ekonomicznym.

PODZIĘKOWANIA

Przy opracowaniu nowego wydania książki korzystałem z pomocy wielu współpracowników z Katedry Maszyn i Urządzeń Energetycznych Politechniki Śląskiej. Pragnę podziękować współautorom opracowań (artykułów naukowych, monografii, referatów konferencyjnych), których wyniki wykorzystałem w pracy oraz wszystkim, którzy pomogli mi przygotować rysunki i tekst maszynopisu. Przede wszystkim dziękuję Pani inż. Grażynie Roskosz oraz Panom: prof. Januszowi Kotowiczowi, prof. Andrzejowi Rusinowi, dr. hab. Henrykowi Łukowiczowi, dr. hab. Leszkowi Remiorzowi i dr. Sebastianowi Lepszemu.

Tadeusz J. ChmielniakSPIS PODSTAWOWYCH OZNACZEŃ

A – masa atomowa pierwiastka (liczba masowa)

A – powierzchnia wymiany ciepła

– strumień paliwa

b – egzergia właściwa

c – prędkość bezwzględna gazu

cp – ciepło właściwe przy stałym ciśnieniu

– średnie ciepło właściwe wody

E – różnica potencjału

– suma energii wewnętrznej i kinetycznej

– strumień energii

e – energia wewnętrzna właściwa

e – ładunek elektronu

F – stała Faradaya, F = 96 487 C/mol

G – swobodna entalpia Gibbsa

Gsc – stała słoneczna, Gsc = 1367 W/m²

gi – udziały masowe

h – entalpia właściwa

h – wysokość

H – entalpia

I – natężenie prądu

I – natężenie promienia słonecznego

k – współczynnik przenikania ciepła

k – wykładnik izentropy

l – praca jednostkowa

M – masa molowa

M – moment obrotowy

MR – uniwersalna stała gazowa,

mz – zredukowany strumień masy

– strumień masy

N – moc

NA – liczba Avogadra, NA = 6,022 ⋅ 10–23 mol–1

NR – moc termiczna reaktora

Nz – zredukowana moc

n – liczba elektronów

nz – zredukowana liczba obrotów

P – siły działające na łopatkę turbiny wiatrowej

p – ciśnienie

Q – ciepło

QSP – ciepło spalania

q – ciepło odniesione do jednostki masy

q – jednostkowe zużycie ciepła

q – stopień dopalania

R – indywidualna stała gazowa

Re – liczba Reynoldsa

S – powierzchnia kontrolna

– strumień entropii

s – entropia właściwa

T – temperatura

U – napięcie

u – energia wewnętrzna

u – prędkość obwodowa

V – objętość

Wd – wartość opałowa

w – prędkość względna

x – stopień suchości pary

zi – udziały molowe

α – kąt

α – parametr rozkładu Weibulla

α – współczynnik wnikania ciepła

β – kąt

β – parametr rozkładu Weibulla

ε – spręż

εs – efektywność cieplna wymiennika (liczba doskonałości)

φ – efektywność chłodzenia łopatki turbiny gazowej

φ – udziały objętościowe

φ – wilgotność względna

η – sprawność

λ – liczba nadmiaru powietrza

λz – stosunek prędkości (turbiny wiatrowej)

Q – efektywność chłodzenia łopatki turbiny gazowej

ρ – gęstość

– dynamiczny stopień reakcyjności stopnia turbiny

σ – współczynnik strat hydraulicznych

τ – czas

∆ – defekt masy

ν – objętość właściwa,

Indeksy dolne

CR – obieg Clausiusa-Rankine’a

c – całkowity

d – dolot, doprowadzenie

G – generator gazu

g – generator elektryczności

i – wewnętrzna (y)

K – kocioł

max – maksymalna wartość

n – składowa normalna do określonej powierzchni

0 – całkowity

o – parametry odniesienia

ot – otoczenie

P – pompa

S – sprężarka

sił – siłownia

t – dotyczy sprawności obiegu

T – turbina

TG – dotyczy turbiny gazowej

TW – dotyczy turbiny wiatrowej

UPG – dotyczy układu gazowo-parowego

u – obwodowy (a)

w – wylot, wyprowadzenie

Indeksy górne

(–) – parametry spoczynkowe2
OGÓLNA CHARAKTERYSTYKA PALIW

2.1. Paliwa stałe

2.1.1. Węgiel

Węgiel jest substancją palną o złożonym składzie. W uproszczeniu w węglu można wyróżnić palną substancję organiczną, związki mineralne oraz wilgoć, która występuje w postaci wilgoci przemijającej (pochodzącej z opadów, płukania itd.), higroskopijnej (związanej siłami adsorpcji z substancją organiczną) i reakcyjnej (rozkładowej powstałej w wyniku reakcji tlenu i wodoru w procesie termicznego rozkładu substancji organicznej).

Wilgoć wraz z substancją mineralną stanowią balast, który obniża charakterystyki energetyczne i ekologiczne węgla.

W energetyce podstawowymi parametrami jakościowymi decydującymi o wartości użytecznej węgla dla procesów generacji energii są: ciepło spalania i (lub) wartość opałowa.

Ciepło spalania (QSP) jest energią uzyskaną z zupełnego i całkowitego izobarycznego spalenia jednostki masy paliwa przy określonej temperaturze początkowej i końcowej substratów i produktów, gdy powstała w procesie spalania para wodna ulega skropleniu. Ciepło QSP można nazwać górną wartością opałową. Dolna wartość opałowa nazywana powszechnie wartością opałową (Wd) jest związana z ciepłem spalania zależnością

(2.1)

gdzie: r – ciepło właściwe kondensacji, – udział masowy pary wodnej w spalinach.

Różnica między QSP a Wd zależy od zawilgocenia węgla oraz zawartości w paliwie wodoru. Jest ona większa dla paliw gazowych i ciekłych. Dla konkretnego rodzaju węgla wartość Wd zależy od stopnia uwęglenia (zawartości pierwiastka węgla), stopnia uwodornienia (zawartości wodoru) i zawartości innych związków palnych (np. siarki) oraz balastu.

Wielkości QSP i Wd określa się zgodnie z odpowiednimi procedurami (zobacz: PN-81/G-04513). Oznaczenie QSP i Wd wchodzi w zakres analizy technicznej paliwa, w ramach której określamy także zawartość wilgoci (PN-80/G-04511), popiołu (PN-80/G-04512), części lotnych (PN-81/G—04516) oraz przeprowadzamy analizę rozdrobnienia węgla (analizę sitową, PN-82/G-04532). W dokładniejszych badaniach ustalamy skład chemiczny węgla (przeprowadzamy analizę elementarną).

Części lotne (V) to substancje, które uwalniają się podczas ogrzewania paliwa bez dostępu tlenu (podczas pirolizy). Ilość części lotnych zależy od składu węgla, głównie stopnia jego uwęglenia. Większa ilość części lotnych (węgiel brunatny, drewno) ułatwia zapłon, zmniejsza natomiast wartość opałową.

Określenie eksperymentalne QSP dla konkretnego paliwa węglowego jest jego wartością rzeczywistą, którą wykorzystujemy do obliczeń konkretnego procesu. W wielu jednak sytuacjach (obliczenia parametryczne, zmienność składu paliwa w czasie trwania procesu i inne) konieczne jest oszacowanie wartości ciepła spalania paliwa na podstawie jego składu pierwiastkowego. Zaproponowano wiele korelacji, zazwyczaj odnoszących się do stanu suchego lub suchego i bezpopiołowego (daf). Ich dyskusję przedstawiono między innymi w . W przeprowadzono weryfikację kilku najczęściej stosowanych korelacji dla polskich węgli. W wyniku stwierdzono, że najdokładniejsze wyniki dają formuły:

gdzie: c, h, o, n, s, a – udziały masowe odpowiednio węgla, wodoru, tlenu, azotu, siarki i popiołu w suchej masie (m.s.) paliwa.

Przedstawiona w zunifikowana korelacja dla paliw stałych, ciekłych i gazowych ma postać

Błąd względny wielkości obliczonej z (2.4) i zmierzonej ustalony dla szerokiej bazy węgli jest rzędu 1%. Odejmując od QSP, zgodnie z (2.1), wartość qk = 2,5(9h + w) znajdujemy wartość opałową (w oznacza udział masowy wilgoci w paliwie mokrym) Wd. Często wykorzystuje się korelację Dulonga

gdzie: s, w – udziały masowe siarki i wilgoci w paliwie.

Wartości opałowe i ciepła spalania pierwiastka węgla, wodoru i siarki wynoszą:

■ węgla – QSP(C) = 3,9 MJ/kg, Wd(C) = QSP(C)

■ wodoru – QSP(H₂) = 12,8 MJ/mn³, Wd(H₂) = 10,8 MJ/mn³

= 142 MJ/kg, = 120,075 MJ/kg

■ siarki – QSP (S) = 9–12,3 MJ/kg, Wd (S) = QSP (S)

W badaniach węgla istotnym problemem jest pobór reprezentatywnej próbki (PN-81/G-04502). Dlatego charakterystyki paliwa rozpatruje się w odniesieniu do różnych mas i oznacza przez wprowadzenie górnego indeksu. Masa robocza (indeks r) dotyczy paliwa dostarczonego do paleniska, masa analityczna (indeks a) jest określona dla stanu, w którym jest analizowana w laboratorium (podsuszona i rozdrobniona). Ponadto wyróżniamy stany: suchy (indeks d), suchy i bezpopiołowy (indeks daf) oraz stan organiczny (indeks o). Współczynniki przeliczeniowe charakterystyk dla różnych stanów zawiera tablica 2.1 .

Tablica 2.1. Współczynniki do przeliczania wartości parametrów paliw stałych

Wartość parametru prezentująca

Współczynniki do przeliczania wartości parametrów ze stanu w kolumnie 1 na stan:

roboczy r

analityczny a

suchy d

suchy i bezpopiołowy daf

organiczny o

Stan roboczy r

1

Stan analityczny a

1

Stan suchy d

1

Stan suchy i bezpopiołowy

daf

1

Stan organiczny

o

1

Wa – zawartość wilgoci w próbce analitycznej, %; Wtr – zawartość wilgoci całkowitej, %; A – zawartość popiołu, %; M – zawartość substancji mineralnej, %.

Właściwości węgla istotnie wpływają na pracę kotła i jego instalacji pomocniczych. Ocena przydatności węgla do spalania w konkretnej instalacji kotłowej wymaga więc wielu badań, wykraczających poza analizę elementarną. Prowadzone są w związku z tym badania typu technologicznego. Określa się w ich wyniku:

■ podatność przemiałową (w tym także w młynach modelowych),

■ zdolność węgla do zapłonu,

■ szybkość wypalania węgla,

■ skłonność do powstania niedopału itd.

Spalanie węgla o charakterystykach odbiegających od tych, dla których projektowano kocioł, może prowadzić do wielu kłopotów eksploatacyjnych, w tym :

■ opóźnionego zapłonu prowadzącego do pogorszenia stabilności spalania,

■ zbyt wczesnego zapłonu powodującego nadpalanie i żużlowanie wylotów palników,

■ powstawania nadmiernych ilości CO i NOx,

■ nieprawidłowego rozkładu temperatury w kotle,

■ zmiany charakterystyk, parametrów pracy kotła,

■ zmiany elastyczności pracy kotła.

Węgiel może podlegać konwersji w inne rodzaje nośników energii. W procesie zgazowania węgla uzyskuje się gaz syntezowy, który jest paliwem dla turbin gazowych. Może on także podlegać dalszej przeróbce celem produkcji wodoru i metanolu, które są paliwami dla ogniw paliwowych lub w innych instalacjach energetycznych (zob. rozdz. 8 i 14).

2.1.2. Biomasa

Pod pojęciem biomasy, jak już to stwierdzono (patrz p. 1.2.8), występuje wiele nośników energii. Każdy z rodzajów biomasy charakteryzuje się pewnymi szczególnymi cechami. Trudno więc przedstawić w sposób uogólniony jej charakterystyki. Porównania z innymi paliwami można dokonać analizując funkcję y = H/C = f (x = O/C), czyli stopień uwęglenia. Dla różnych postaci biomasy zmienia się on w znacznym przedziale: x = 0,4–0,8, y = 1,2–1,8. Dla drewna jest x = 0,6, y = 1,35. W obliczeniach przybliżonych można przyjąć dla stałych form biomasy wzór sumaryczny w postaci

C₁ H1,45 O0,7 (2.6)

Jeśli porównać go ze składem dla węgla

C₁ H0,8O0,08

to widzimy, że biomasa jest substancją mniej uwęgloną i ma znacznie więcej części lotnych. Stosunkowo dobre korelacje obejmujące paliwa węglowe i biomasę uzyskuje się rozpatrując substancje suche bezpopiołowe, bez siarki i azotu (dasnf). Wtedy dla udziałów masowych wyrażonych w procentach można napisać

C = 100 − H − O

Dla drewna O ≅ 45% i H ≅ 6%, C ≅ 49%.

Dla tych zmiennych można także wykorzystać korelacje:

■ dla części lotnych

■ dla ciepła spalania

Z zależności (2.8)–(2.11) największym błędem jest obciążony związek (2.11). Można z niego korzystać w obliczeniach porównawczych różnych technologii wykorzystania biomasy lub w tych przypadkach, gdy brak jest szczegółowych danych o rodzaju biomasy (paliw węglowych) lub o ich składzie.

Dysponując wynikami analizy technicznej biomasy, ciepło spalania określamy z korelacji

Dane analizy elementarnej umożliwiają określenie ciepła spalania z zależności

Korelacje (2.12) i (2.13) uzyskano z uśrednienia danych uzyskanych dla wielu różnych rodzajów biomasy roślinnej. Dane dla konkretnego rodzaju substancji można odczytać z wielu dostępnych baz danych, na przykład bazy Phyllis (http://www.ecn.nl/Phyllis). W bazie tej wyznaczane ciepło spalania porównuje się na przykład z formułą Milnego (udziały dla stanu suchego)

= 34,1c + 132,2h – 12o – 12n + 6,86s – 1,53a

gdzie a – udział masowy popiołu.

Przegląd innych zależności zawierają . W publikacji rekomenduje się zależności (udziały masowe dla stanu suchego):

= 19,914 – 23,24a (2.15)

= –1,3675 + 31,37c + 70,09h + 3,18(1 – c – h – a)

Współczynniki podane w tabl. 2.1 ułatwiają przeliczenia charakterystyk ze stanu suchego (d) lub suchego bezpopiołowego (daf) do roboczego (r) lub analitycznego (a), na przykład:

Przy projektowaniu konkretnej technologii dostępnych powinno być znacznie więcej informacji (tabl. 2.2). Konkretne dane dla wybranych rodzajów biomasy roślinnej i osadów ściekowych zawierają tabl. 2.3 i 2.4.

Tablica 2.2. Charakterystyczne dane dotyczące biomasy

--------------------------------------- -------- ----------- ---------------------------------------------------------------------------------------------------
Właściwości Symbol Jednostka Uwagi
Zawartość wilgoci W %
Wymiar mm zrębki, trociny, plastry, wióry, kłody, pnie itd.
Kształt brykiety, pelety, włókna, patyczki itd.
Wartość opałowa Wd GJ/kg
Zawartość popiołu A %
Skład popiołu % tlenki: Fe₂O₃, CaO,SiO₂,Al₂O₃ itd.
Gęstość nasypowa ρn kg/m³
Gęstość rzeczywista ρ kg/m³
Kąt stożka nasypowego stopień
Zdolność do „płynięcia” materiału ważne dla określenia cech składowiska i technologii przerobu
Części lotne V %
Twardość, spoistość wsadu głównie do określania jakości wsadu do zgazowania
Eksplozja pyłów, kurzu energia zapłonu pyłów wydzielających się w procesach suszenia, mielenia itd.
Fermentacja na składowisku degradacja wartości energetycznych i zwiększenie ryzyka samozapłonu
Skład:
Azot N %
Chlor Cl %
Fluor F %
Siarka S %
Węgiel C %
Wodór H %
Tlen O %
Główne zanieczyszczenia Mg/kg Al,Si,K,Na,Ca,Mg,Fe,P,Ti i inne
Zanieczyszczenia o mniejszym stężeniu Mg/kg As,Ba,Cd,Be i inne
Metale ciężkie Mg/kg Pb,Ni,Sb,Cr,Cu,Mn,Se,Te,Sn i inne
Pary metali Mg/kg Cd,Hg (podawane niezależnie od zawartości części stałych)
Gęstość energetyczna EV kJ/m³
Temperatury charakterystyczne t °C temperatura deformacji, temperatura mięknięcia popiołu, płynięcia, warunków utleniania i redukcji
Potencjał utylizacji popiołu
Węgiel związany (Fixedcarbon) Cf %
Stosunek C/N C/N –
--------------------------------------- -------- ----------- ---------------------------------------------------------------------------------------------------

Tablica 2.3. Przykładowe właściwości fizykochemiczne odpadów komunalnych i osadów ściekowych

+--+
| |
+--+
| |
+--+
| |
+--+
| |
+--+
| |
+--+

Wobec zróżnicowania biomasy i wielości procesów jej konwersji (fizycznej, termicznej i chemiczno-biologicznej) zestaw danych przedstawionych w tabl. 2.2 może niewyczerpywać wszystkich koniecznych dla technologii wielkości. Wymaganych uzupełnień mogą dostarczyć ukierunkowane własne badania laboratoryjne. Danych dotyczących podanych w tabl. 2.2 wielkości można także poszukiwać w wielu dostępnych bazach danych lub w specjalistycznej literaturze.

Biomasa, podobnie jak paliwa węglowe, może podlegać konwersji w celu uzyskania bardziej szlachetnych nośników energii. Znanych jest wiele technologii zgazowania biomasy i propozycji technologii energetycznych zintegrowanych z procesem zgazowania.

Dla organizacji procesu spalania i procesu uszlachetniania (zwłaszcza procesu pirolizy i odgazowania) ważne znaczenie mają informacje dotyczące biochemicznej struktury biomasy (zawartość celulozy, lignin itd). Skład ten będzie zazwyczaj decydował o kinetycznych charakterystykach procesu pirolitycznego i składzie gazu syntetycznego.

Tablica 2.4. Właściwości wykorzystywanych rodzajów biomasy

Właściwości

Symbol

Jednostka

Węgiel z kopalni „Julian”

Słoma pszenno-żytnia

Słoma rzepakowa

Drewno sosnowe

Drewno topoli

Drewno wierzby Salix

Właściwości fizykochemiczne

wilgotność całkowita

Wtr

%

7,9

7,8

9,0

9,8

10,9

28,0

wilgotność analityczna

Wa

%

6,4

6,0

7,4

2,5

10,2

11,3

zawartość popiołu

Aa

%

3,2

5,9

8,2

0,7

4,6

2,2

zawartość części lotnych

Va

%

34

56,8

56,1

59,0

56,32

69,6

zawartość części lotnych

Vdaf

%

37,6

64,9

66,5

61,0

66,10

80,5

Zawartość pierwiastków elementarnych

węgiel

Ca

%

74,1

42,0

40,1

50,0

38,6

43,9

wodór

Ha

%

4,77

5,31

5,13

5,57

4,36

5,23

siarka całkowita

Sta

%

0,42

0,08

0,39

0,10

0,08

0,08

siarka popiołowa

Spa

%

0,21

0,06

0,38

0,02

0,04

0,04

siarka palna

SCa

%

0,21

0,02

0,01

0,08

0,04

0,59

azot

Na

%

1,22

0,95

0,78

0,02

0,89

–

chlor

Cla

%

0,041

0,101

0,690

0,040

0,110

–

fluor

Fa

%

< 0,005

< 0,005

< 0,005

< 0,005

< 0,005

–

H/C

0,77

1,52

1,53

1,34

1,35

1,43

Zawartość metali

arsen

Asa

ppm

15,1

11,7

7,4

12,0

–

–

kadm

Cda

ppm

11,2

11,1

43,0

49,6

–

–

kobalt

Coa

ppm

10,5

0,0

0,5

0,9

–

–

chrom

Cra

ppm

33,4

11,1

7,4

14,7

–

–

miedź

Cua

ppm

76,2

50,0

6415,0

78,3

–

–

mangan

Mna

ppm

229,6

44,4

44,3

86,1

–

–

nikiel

Nia

ppm

84,7

17,4

281,5

33,3

–

–

ołów

Pba

ppm

1595,6

55,9

109,9

430,7

–

–

antymon

Sba

ppm

10,6

1,7

2,1

n.o.

–

–

cyna

Sna

ppm

12,9

n.o.

n.o.

5,9

–

–

tytan

Tia

ppm

36,2

n.o.

2,3

7,6

–

–

wanad

Va

ppm

4,1

1,0

0,7

8,9

–

–

rtęć

Hga

ppm

3,8

0,9

1,4

2,7

–

–

Ciepło spalania

Qsa

kJ/kg

29 524

16 640

15 945

20 690

16 732

17 228

Wartość opałowa

Wda

kJ/kg

28 301

15 446

14 768

19 487

15 477

15 931

n.o. – nie oznaczono

2.2. Paliwa ciekłe i gazowe

Skład paliw ciekłych, podobnie jak paliw stałych, określa się przez podanie udziałów masowych odpowiednich składników. Ich wartość opałową obliczamy ze wzoru

gdzie: c, h, s, o, w – udziały masowe węgla, wodoru, siarki, tlenu i wilgoci w paliwie.

Wcześniej stwierdzono, że w energetyce paliwa ciekłe wykorzystuje się głównie w turbinach gazowych. Podstawowe charakterystyki tych paliw i konkretne wymagania sformułowane wobec nich podano między innymi w ISO 4261, ISO 3966 i DIN 4340. W instalacjach stacjonarnych spala się oprócz lekkich destylatów (np. DS2 wg ISO 3977) także paliwa zawierające ciekłe pozostałości z procesu rafinacji ropy naftowej (RST.3 i RST.4 o lepkości 1,3–30 mm²/s przy temperaturze 40°C). Wartość opałowa utylizowanych paliw waha się w granicach 39–43 MJ/kg. Obliczenia standardowe instalacji turbin gazowych przeprowadza się zazwyczaj dla DST2 o wartości opałowej Wd = 42 MJ/kg. W tablicy 2.5 przedstawiono ogólne charakterystyki stosowanych paliw ciekłych .

Gaz ziemny stanowi mieszaninę metanu (CH₄) z innymi gazami palnymi (CnHm) oraz związkami niepalnymi (N₂, O₂, H₂O, CO₂, ...). Skład gazu zależy od miejsca jego pozyskiwania. Polski gaz podkarpacki jest gazem wysokometanowym (udział objętościowy CH₄ ok. 90%), zawiera także ok. 6% N₂, resztę stanowią związki typu CnHm. Gaz ziemny zaazotowany (N₂: 35–50%) jest w Polsce czerpany ze złóż wielkopolskich i zielonogórskich (CH₄: 46–50%). Podobny skład ma gaz pozyskiwany w czasie eksploatacji górniczej (tak np. gaz pozyskiwany w jednej z kopalń Rybnickiej Spółki Węglowej ma skład: CH₄ – 54,2%, O₂ – 6,9%, N₂ – 36,6%, CO₂ – 2,3%).

Podstawowe charakterystyki gazu (entalpia fizyczna, pojemności cieplne właściwe, zastępcza stała gazowa, masa molowa itd.) określamy najczęściej traktując go jako mieszaninę gazów półdoskonałych. Skład paliwa gazowego można ustalić określając udziały molowe (w przypadku gazów doskonałych są one równe udziałom objętościowym) jego składników

gdzie: CH₄, CO, ..., H₂O – udziały molowe CH₄ , CO, ..., H₂O.

Przeliczenia udziałów objętościowych na masowe można dokonać, stosując formułę

gdzie: gi – udział masowy i-tego składnika paliwa (np. CH₄), zi – udział molowy i-tego składnika paliwa (np. CH₄), Mi – masa molowa i-tego składnika, M – zastępcza masa molowa

(MR) – uniwersalna stała gazowa = 8,31451 kJ/(kmol ⋅ K), R – indywidualna (zastępcza) stała gazowa paliwa.

W przeliczeniach odwrotnych (gdy znane są gi, a poszukujemy zi) wykorzystujemy zależności:

Dysponując wartością opałową poszczególnych składników (tabl. 2.6), obliczamy wartość opałową paliwa:

Właściwą pojemność cieplną paliwa oraz entalpię fizyczną wyznaczymy ze związków:

Zależności (2.28) i (2.29) obowiązują także dla uśrednionych wielkości cp w danym przedziale zmienności temperatury. Funkcje opisujące cpi podano w tabl. 2.7.

Jeśli masę gazu określany w m³n, to wtedy wartość opałową określamy z zależności

Biorąc pod uwagę najczęściej spotykany skład paliwa, możemy zapisać

Ciepło spalania dla paliw gazowych łatwo także wyznaczyć, korzystając ze stabelaryzowanych wartości dla składników gazu.

Tablica 2.5. Rodzaje paliw ciekłych i ich charakterystyki

Tablica 2.6. Masy molowe oraz dolna i górna (ciepło spalania) wartość opałowa wybranych paliw (przy T = 288,3 K)

Lp.

Substancje

Oznaczenie

Masa
molowa

Ciepło
spalania

Wartość
opałowa

1

2

3

4

5

6

Węgiel (pierwiastek)

Wodór

Tlen

Azot

Tlenek węgla

Dwutlenek węgla

C

H₂

O₂

N₂

CO

CO₂

12,011

2,016

32,000

28,013

28,011

44,011

32 780

142 120

–

–

10 110

–

32 780

120 075

–

–

10 110

–

Węglowodory parafinowe CnH2n+2

7

8

9

10

11

12

13

14

15

Metan

Etan

Propan

n-Butan

Izobutan

n-Pentan

Izopentan

Neopentan
(2,2 dwumetylopropan)

n-Heksan

CH₄

C₂H₆

C₃H₈

C₄H₁₀

C₄H₁₀

C₅H₁₂

C₅H₁₂

C₅H₁₂

C₆H₁₄

16,043

30,070

44,097

58,124

58,124

72,151

72,151

72,151

86,169

55 545

51 920

50 385

49 565

49 445

49 060

48 970

48 780

48 710

50 000

47 525

46 390

45 775

45 660

45 400

45 305

45 115

45 130

Węglowodory etylenowe CnH2n

16

17

18

19

20

Etylen

Propylen

n-Butylen

Izobuten

n-Penten

C₂H₄

C₃H₆

C₄H₈

C₄H₈

C₅H₁₀

28,054

42,081

56,108

56,108

70,128

50 345

48 940

48 475

48 220

48 180

47 205

45 800

45 350

45 085

45 040

Węglowodory aromatyczne

21

22

23

Benzen

Toluen

Ksylen

C₆H₆

C₇H₈

C₈H₁₀

78,107

92,132

106,158

42 360

42 890

43 380

40 660

40 985

41 310

Różne

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

Acetylen

Naftalen

Metanol

Etanol

Amoniak

Siarka

Siarkowodór

Dwutlenek siarki

Para wodna

Powietrze (suche)

C₂H₂

C₁₀H₈

CH₃OH

C₂H₅OH

NH₃

S

H₂S

SO₂

H₂O

26,036

128,162

32,041

46,067

17,031

32,06

34,076

64,06

18,016

28,966

50 010

40 235

23 865

30 615

22 490

9 265

16 515

–

–

–

48 325

38 865

21 115

27 750

18 610

9 270

15 225

–

–

–

Tablica 2.7. Pojemność cieplna właściwa (ciepło właściwe) składników powietrza, spalin i paliw gazowych

Współczynniki Ck

---- -------------- ------------- -------------- -------------- --------------
k N₂ O₂ CO CO₂ H₂O

1 0,00164340 –0,00189585 0,00017759 0,00113157 –0,00201690

2 –0,04274719 0,04371806 –0,01034931 –0,02866195 0,05324806

3 0,47406299 –0,41739739 0,17496506 0,30486185 –0,59025452

4 –2,91664302 2,10481941 –1,42327358 –1,74052745 3,57748654

5 10,83900885 –5,87819525 6,47159115 5,78930467 –12,97778482

6 –21,32837202 12,12251612 –13,69763772 –9,35341573 33,32045416

7 34,52790531 –5,8796701 26,49409514 24,07693004 –42,64731893

8 –28,62924390 2,69840170 –23,22849765 –20,43950165 41,39089229

9 15,10308970 –0,68993446 12,76382132 10,87536887 –23,96053282

10 –4,93351644 0,10037770 –4,30111419 –3,55576585 8,22692113

11 0,90965480 –0,00790333 0,81268294 0,65385727 –1,55193837

12 –0,07232233 0,00027607 –0,06589677 –0,05176162 0,12417097
---- -------------- ------------- -------------- -------------- --------------

---- -------------- -------------- -------------- --------- ----------
k SO₂ Powietrze N₂* CH₄ C₂H₄

1 –0,00161344 0,00088645 0,00162372 0,0 0,0

2 0,04413487 –0,02422986 –0,04223503 0,0 0,0

3 –0,50616568 0,28282887 0,46837806 0,0 0,0

4 3,14295865 –1,83707321 –2,88161284 0,0 0,0

5 –11,34774478 7,23402808 10,70855596 0,0 0,0

6 27,31525171 –14,09423063 –21,04123409 2,3154 0,4577

7 –23,53035037 25,73683409 34,11459871 6,2691 18,8313

8 18,23521404 –21,79615798 –28,28673591 1,4402 –10,0401

9 –9,27071381 11,65205950 14,92243989 –1,3610 2,1107

10 2,97493964 –3,83240104 –4,87450738 0,0 0,0

11 –0,54425032 0,70884911 0,89877385 0,0 0,0

12 0,04316689 –0,05643095 –0,07145715 0,0 0,0
---- -------------- -------------- -------------- --------- ----------

k

C₂H₆

C₃H₈

C₄H₁₀

H₂

H₂S

NH₃

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

0,0

0,0

0,0

0,0

0,0

0,6506

2,1422

–8,3447

1,0481

0,0

0,0

0,0

0,0

0,0

0,0

0,0

0,0

–0,5080

36,8353

–19,0798

3,8658

0,0

0,0

0,0

0,0

0,0

0,0

0,0

0,0

–1,1412

39,8499

–13,3319

–0,3397

0,0

0,0

0,0

0,0

0,0

0,0

0,0

0,0

3,2647

1,1154

–1,6608

0,9195

0,0

0,0

0,0

0,0

0,0

0,0

0,0

0,0

3,8991

0,1743

2,9689

–1,4362

0,0

0,0

0,0

0,0

0,0

0,0

0,0

0,0

3,2851

2,8662

2,0534

–1,4251

0,0

0,0

0,0

N₂* oznacza powietrze suche bez tlenu, dane dla powietrza dotyczą powietrza suchego.

Na podstawie: Baehr H.D., Diederichsen Chr.: Berechnungsgleichungen für Enthalpie und Entropie der Komponenten von Luft und Verbrenungsgasen. BWK 40, 1-2, 1988, ss. 30-33; Reid R. C. i inni: The Properties of Gases and Liquids. Mc Graw-Hill Book Company, 1977.

Współcześnie brane są pod uwagę dla różnych zastosowań złożone instalacje technologii energetycznych, dla których wartości spręży mogą przekraczać dla układów otwartych 40 (poniżej tej wartości dla powietrza i składników spalin można bez większych błędów stosować model gazu półdoskonałego). Wtedy należy właściwości czynników roboczych określać równaniami stanu dla gazów rzeczywistych.

Ogólnie termiczne równanie stanu dla gazów rzeczywistych zapisujemy w postaci

pv = ZRT

lub

pVm = Z(MR)T

gdzie: Vm – objętość molowa , Z – współczynnik ściśliwości, p – ciśnienie, v – objętość właściwa, T – temperatura bezwzględna.

Najczęściej wykorzystujemy następujące równania stanu:

■ równanie Redlicha i Kwonga z modyfikacją Soave (równanie RKS),

■ równanie Benedicta, Webba i Rubina zmodyfikowane przez Starlinga (równanie BWRS),

■ równanie Lee i Keslera z modyfikacją dokonana przez Plökera, Knappa i Prausnitza (równanie LKP).

Stosowane są także inne równania:

■ równanie Penga i Robinsona (równanie PR),

■ równanie Beattiego i Bridgemana (równanie BB),

■ równanie Berthelota.

Zakres ich zastosowań jest różny, zarówno z punktu widzenia rodzaju substancji, jak i wartości ciśnień. W celu rozszerzenia zakresu zastosowania poszczególnych równań na różne substancje (grupy substancji) wykorzystuje się zasadę stanów sobie odpowiadających. Równania opisujące właściwości sprowadza się do postaci

Y = f(Pr, Tr, X)

gdzie: Y – poszukiwana wielkość termodynamiczna, Pr = p/pk, Tr = T/Tk, pk – ciśnienie w punkcie krytycznym, Tk – temperatura punktu krytycznego , X – trzecia wielkość poprawiająca dokładność korelacji (2.34).

Za X przyjmuje się najczęściej współczynnik ściśliwości liczony dla parametrów punktu krytycznego

lub liczbę (czynnik) centryczności (acentric factor) ω definiowaną następująco:

(2.36)

Posługiwanie się konkretnymi równaniami stanu do analizy procesów w instalacjach turbin gazowych jest dość skomplikowane. W wielu przypadkach obliczeń układów turbin gazowych pracujących z wysokimi ciśnieniami mediów roboczych można ograniczyć się do określenia poprawek dla cieplnych pojemności właściwych, entalpii i entropii. W tym celu wykorzystujemy odpowiednie związki opisujące zależności funkcji termodynamicznych od ciśnienia:

gdzie s₀ jest funkcją ciśnienia referencyjnego (przyjmowanego zazwyczaj p₀ =
= 1,013 bar).