ENERGIANALYSE AV KJEL Semesteroppgave TT1 Institutt for energi- og prosessteknikk

Størrelse: px

Begynne med side:

Download "ENERGIANALYSE AV KJEL Semesteroppgave TT1 Institutt for energi- og prosessteknikk"

Karina Magnussen
7 år siden
Visninger:

1 1 ENERGIANALYSE AV KJEL Semesteroppgave TT1 Institutt for energi- og prosessteknikk ANSVARLIG Teori: Morten Grønli Praksis: Halvor Flatberg & Helge Laukholm

2 2 Energianalyse av 250 kw CEN -kjel Propan (C 3 H 8 ) Burner l 2 water outlet P T T expansion valve to chimney water outlet Luft movable rear wall (water cooled) water inlet water inlet GASSANALYSE CO/CO 2 O 2 NOx (NO, NO 2 )

3 3 Globalt forbruk av energiråvarer Millioner tonn olje ekvivalenter (Mtoe) Biomasse Vannkraft Uran J. Watt M. Faraday T.A. Edison N.A. Otto R. Diesel Æ. Elling H. Ford Dampmaskin Elektromotor Glødelampen Bensinmotor Dieselmotor Gassturbin Bilproduksjon Natur gass 4000 Olje 2000 Kull Sources: BP Stat. Rev. of World Energy 2000 and earlier editions. Scientific American, Sept. 1990

4 4 Globalt forbruk av energiråvarer med framskrivninger til 2020 (Mtoe) Befolkningsutvikling, milliarder Vannkraft Uran Natur gass Utviklingsland Industrialiserte land Olje 4000 Kull Biomasse Kilders: BP Stat. Rev. of World Energy 2000 og tidligere utgaver. Scientific American, Sept Framskrivninger: DoE Internat. Energy Outlook, UNEP (befolk

5 5 Elproduksjon i Europa Elproduksjonen i Europa var på 3100TWh Elproduksjonen i Norden var på 375TWh 62 av elproduksjonen i Norden kommer fra vannkraft

6 6 Hvor mye varme avgir et talglys? Energiinnhold talg (= parafin): 39 MJ/kg = 11 kwh/kg Avgitt effekt: 65 W 122 Avgitt varme (per time): 0,065 kwh Series1 utlignet Vekt [gram] Vekttap: 6,0 g/h y = x Tid [min]

7 7 Forbrenning brensel CO 2 Kjemisk reaksjon O 2 H 2 O Energi Forbrenning involverer hurtige kjemiske reaksjoner. Komponenter vil forbrukes og dannes, men de elementære grunnstoffer som komponentene består av vil bevares.

8 8

9 9 Kjemisk sammensetning av brensler C H O N S Øvre Brennverdi CO2-utslipp [vekt %] [vekt %] [vekt %] [vekt %] [vekt %] [MJ/kg] [kwh/kg] [g CO 2 /kwh] Faste brensler Bituminøst kull Lignitt Torv Trevirke Flytende brensler Parafin Fyringsolje 1& Tungolje Gassformige brensler Metan (CH 4 ) Propan (C 3 H 8 ) Naturgass fra Nordsjøen

10 10 Virkningsgrad Beskriver utnyttelsen av energien i brenslet Brensel: gass, olje, kull Effekt E [W] η = P E elektrisitet/varme Effekt P [W] brennverdi Tabulerte verdier per kg eller liter brensel Tap Måles

11 11 Virkningsgrader for el.produksjon i termiske kraftverk (EU) Virkningsgrad for termiske kraftverk Kilde: O. Bolland 60 Norsk gasskraftverk Avansert kullkraftverk 44 Gjennomsnitt for 42 europeiske kraftverk Dagens gjennomsnittlige europeiske kullkraftverk Kina & India

12 12 Utslipp av CO 2 fra fossile brensler Utslipp av gram CO 2 per kwhe Kilde: O. Bolland Kullkraftverk Gasskraftverk Metan (H/C=4) Destillatolje (H/C=2) Lignitt (brunkull) Bituminøst kull Antrasitt Virkningsgrad [%]

13 13 Definisjoner Massefraksjon Y i for komponent i: mi ni M i Y i =, Y i mi ni M = 1 i Molfraksjon X i for komponent i: ni X i, X i ni = 1 Partialtrykk P i for komponent i: 0 P iv = n i R 0 T, P = P i= RT ni, P i= X i P V Konsentrasjon C i for komponent i: n n P P V = n R T, = R T, C = = V V R T i i i i i 0 Pi 0 i 0

14 14 Luftoverskuddstall λ; luftmengde ( m a / mf ) λ = = støkiometrisk luftmengde ( m a / mf ) st λ = 1 støkiometrisk forbrenning λ > 1 luftoverskudd (lean) λ < 1 luftunderskudd (fuel rich)

15 15 Sammensetning av luft KOMPONENT MOLFRAKSJON MOLVEKT MASSEFRAKSJON O N Ar+CO (40) "Atmosfærisk" N 2 (N 2 +Ar+CO 2 ) Volum(mol)forhold: N 2 /O 2 = 79/21 = 3.76 Molvekt luft: M luft = Tetthet luft: kg/kmol ρ luft = Nm /kmol = kg/nm 3

16 16 Forbrenning - støkiometri Den støkiometriske likningen beskriver en sammenheng mellom endring av antall mol av hver komponent som følge av den kjemiske reaksjon Generell (støkiometrisk) reaksjonslikning: Luft Ca. 79 vol% Nitrogen, 21 vol% Oksygen C n H m + a (O N 2 ) b CO 2 + d H 2 O + a 3.76 N 2 Elementbalanser: C: n = b b = n H: m = 2d d = m/2 O: 2a = 2b+d a = n + m/4 C n H m + (n + m/4)(o N 2 ) nco 2 +m/2h 2 O + (n+m/4) 3.76 N 2 Metan (CH 4 ): CH 4 + 2(O N 2 ) CO H 2 O N 2 Propan (C 3 H 8 ): C 3 H 8 + 5(O N 2 ) 3 CO H 2 O N 2

17 17 Forbrenning med luftoverskudd (λ>1): C n H m + λ (n + m/4)(o N 2 ) nco 2 + m/2h 2 O + (λ 1) (n+m/4) O 2 (n+m/4) 3.76 N 2 Eksempel: Metan: CH λ (O N 2 ) CO 2 +2H 2 O + 2 (λ -1)O N 2 Propan: C 3 H λ (O N 2 ) 3CO 2 +4H 2 O + 5 (λ -1)O N 2

18 18 Mengdemål Konsentrasjon av gasser i lufta oppgis på vektbasis eller volumbasis: Vektbasis: mg/m 3, µg/m 3 eller ng/m 3 Volumbasis: ppm, ppb eller ppt ppm: "parts per million" 1:10 6 ppb: "parts per billion" 1:10 9 ppt : "parts per trillion" 1:10 12 Vektbasis: avhengig av trykk og temperatur Volumbasis: uavhengig av trykk og temperatur Olav Bolland

19 19 Mengdemål - omregning Utslippskonsentrasjon C [mg/nm 3 ], omregnet fra ppm: C( mg / Nm 3 ) = C( ppm) ρc ( kg / Nm 3 ) hvor: ρ ( kg / Nm 3 C ) = M v 0 c ρ C = Gasstettheten ved Normaltilstand (0 o C, 1 atm) [kg/nm 3 ] M C = Molvekten til C [kg/kmol] v 0 = Molvolum ved normaltilstand [ Nm 3 /kmol]

20 20 Mengdemål - omregning Omregning fra fuktig gass til tørr gass C tørr gass ( mg / Nm 3 ) = C fuktig gass ( mg vf / Nm 3 ) v f = vol% fuktighet i røykgassen Korrigering ref O 2 C C O2, ref ( mg / Nm 3 ) = C C O2, målt (21 O (21 O 2, ref 2, målt ) ) Olje og gass Bio og avfall 3 vol% O 2, 11 vol% O 2, 15 vol% O 2, tørr

21 21 Korrigering ref O 2 Olje og gass Bio og avfall 3 vol% O 2, 11 vol% O 2, 15 vol% O 2, tørr Måling luft brensel forbrenningsprodukter Luft

22 22 Røykgassammensetning ved forbrenning av Propan (beregnet ved støkiometri) Fuktig gass Tørr gass Luftoverskuddtall CO 2 (vol%) H 2 O (vol%) O 2 (vol%) N 2 (vol%) % 15.5 % 0.0 % 72.9 % % 14.2 % 1.8 % 73.4 % % 13.1 % 3.3 % 73.8 % % 12.1 % 4.6 % 74.2 % % 11.3 % 5.7 % 74.5 % % 10.6 % 6.6 % 74.8 % Luftoverskuddtall CO 2 (vol%) H 2 O (vol%) O 2 (vol%) N 2 (vol%) % 0.0 % 0.0 % 86.2 % % 0.0 % 2.1 % 85.5 % % 0.0 % 3.8 % 84.9 % % 0.0 % 5.2 % 84.5 % % 0.0 % 6.4 % 84.0 % % 0.0 % 7.4 % 83.7 %

23 23 Eksempel 1 Omregning fra ppm til mg/nm 3 og korrigering for O ppm CO, målt ved tørr gass, og 6 vol% O 2, skal regnes om til mg/nm 3, ved 11 vol% O 2 ρ 28kg / kmol CO, N = = 1,25kg / 3 22,4Nm / kmol Nm CO ( / ) = 100 1, 25 / = 125 /,6 % C mg Nm ppm kg Nm mg Nm tørr gass vol O 2 Korrigert til 11 vol% O 2, blir dette: 3 3 (21 11) 3 CCO ( mg / Nm ) = 125 mg / Nm = 83 mg / Nm tørr gass,11 vol% O (21 6) 2

24 24 Eksempel 2 Omregning av konsentrasjon fra fuktig til tørr røykgass: 50 mg/nm 3, TOC (som metan) fuktig gass, skal regnes om til tørr gass. Fuktigheten i røykgassen er 8 vol%. C ( mg / Nm ) TOC tørk gass mg / Nm ) = = ( 54mg / Nm 8 (1 ) 100 3

25 25 Avgassmålinger Horiba PG 250 CO ppm CO vol% O vol% SO ppm NO x ppm NB: Alle målingene gjøres på tørr røykgass

26 26 Oppgave Oppgave før laboratoriet: Les gjennom utdelt litteratur og sett opp en plan for målingene, dvs. hvilke parametere trenger dere å måle for å regne ut virkningsgraden og røykgasstapet Oppgave i laboratoriet: Gjennomfør målingene på kjelen Mål CO, NO og O 2 - innholdet i røykgassen ved ulik lufttilførsel Oppgave etter laboratoriet: Regn om CO-verdiene og NO fra ppm til mg/nm 3 og korriger til 3 vol% O 2. Hvorfor øker CO-innholdet i røykgassen når lufttilførselen reduseres? Beregn kjelvirkningsgraden Beregn røykgasstapet dersom du har 2 volum% av O 2 på våtbasis.

27 27 Omregningsfaktorer MJ kwh TKE TOE Sm 3 Naturgass Fat råolje 1 MJ 1 0,278 0, , ,0236 0, kwh 3,60 1 0, , ,0927 0, TKE , ,18 1 TOE , ,49 1 Sm 3 35,54 9,87 0, , , fat råolje ,193 0, MJ = Megajoule, 10 6 kwh = kilowattime = 3,6 MJ TKE = tonn kullekvivalent (eller SKE Steinkohle Einheit) TOE = tonn oljeekvivalent Sm 3 = standardkubikkmeter (tilstand 1 bar, 15 C) 1 fat olje = 159 liter ( fat er vanligvis 180 l)

Like dokumenter

ENERGIANALYSE AV KJEL Semesteroppgave TT1 Institutt for energi- og prosessteknikk

1 ENERGIANALYSE AV KJEL Semesteroppgave TT1 Institutt for energi- og prosessteknikk ANSVARLIG Teori: Morten Grønli Praksis: Halvor Flatberg & Helge Laukholm 2 Energianalyse av 25 kw CEN -kjel Propan (C