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 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 )
Innhold Globalt energiforbruk Brensler Forbrenning Virkningsgrad Avgassmålinger Mengdemål Omregninger Laboppgaven 4 Globalt forbruk av energiråvarer 186 2 Millioner tonn olje ekvivalenter (Mtoe) 1 Biomasse Vannkraft Uran 8 6 J. Watt M. Faraday T.A. Edison N.A. Otto R. Diesel Æ. Elling H. Ford 176-1819 1791-1867 1847-191 182-1891 1858-191 1861-1949 186-1947 Dampmaskin Elektromotor Glødelampen Bensinmotor Dieselmotor Gassturbin Bilproduksjon 1769 181 1879 1876 1897 19 1914 Natur gass 4 Olje 2 Kull 186 188 19 192 194 196 198 2 Sources: BP Stat. Rev. of World Energy 2 and earlier editions. Scientific American, Sept. 199
5 Globalt forbruk av energiråvarer 186 2 med framskrivninger til 22 (Mtoe) 16 14 12 1 8 6 4 9 Befolkningsutvikling, milliarder 8 7 6 5 4 2 Utviklingsland 1 Industrialiserte land 186 188 19 192 194 196 198 2 22 Biomasse Vannkraft Uran Natur gass Olje Kull 2 186 188 19 192 194 196 198 2 22 Kilders: BP Stat. Rev. of World Energy 2 og tidligere utgaver. Scientific American, Sept. 199. Framskrivninger: DoE Internat. Energy Outlook, UNEP (befolk 6 Elproduksjon i Europa - 2 Elproduksjonen i Europa var på 1TWh Elproduksjonen i Norden var på 75TWh 62 av elproduksjonen i Norden kommer fra vannkraft
7 8 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 8.2. 2. 1.1.7 1. 8.69 8 Lignitt 42.4 2.8 12.4.7.7 16.8 4.67 Torv 54.5 5.6 2. 1.4.24 21. 5.8 4 Trevirke 51.8 6.1 41.2..1 2.89 5.8 27 Flytende brensler Parafin 86.1 1.8.1 46.27 12.85 246 Fyringsolje 1&2 86.4 1.4.19 45.76 12.71 249 Tungolje 87.8 11.2 1. 4.8 12.5 267 Gassformige brensler Metan (CH 4 ) 75. 25. 55.5 15.42 178 Propan (C H 8 ) 81.8 18.2 5.5 1.98 214 Naturgass fra Nordsjøen 74.7 2.7 1..6 52.18 14.49 189
9 Hvor mye varme avgir et talglys? Energiinnhold talg (= parafin): 9 MJ/kg = 11 kwh/kg Avgitt effekt: 65 W Avgitt varme (per time):,65 kwh Vekt [gram] 122 121 12 119 118 Vekttap: 6, g/h Series1 utlignet 117 116 115 y = -.986x + 121.5 114 1 2 4 5 6 7 Tid [min] 1 Omregningsfaktorer MJ kwh TKE TOE Sm Naturgass Fat råolje 1 MJ 1,278,41,26,26,176 1 kwh,6 1,12,85,927,65 1 TKE 29 814 1,69 695 5,18 1 TOE 42 11788 1,44 1 119 7,49 1 Sm 5,54 9,87,121,84 1,629 1 fat råolje 567 1569,19,14 159 1 MJ = Megajoule, 1 6 kwh = kilowattime =,6 MJ TKE = tonn kullekvivalent (eller SKE Steinkohle Einheit) TOE = tonn oljeekvivalent Sm = standardkubikkmeter (tilstand 1 bar, 15 C) 1 fat olje = 159 liter ( fat er vanligvis 18 l)
11 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. 12 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: P iv n i R T, P = P i= RT ni, P i= X i P V Konsentrasjon C i for komponent i: P V n R T, n R T, C n P V V R T i i i i i Pi i
1 Luftoverskuddstall λ; luftmengde ( m a / mf ) = = støkiometrisk luftmengde ( m a / mf ) st λ = 1 støkiometrisk forbrenning λ > 1 luftoverskudd (lean) λ < 1 luftunderskudd (fuel rich) 14 Sammensetning av luft KOMPONENT MOLFRAKSJON MOLVEKT MASSEFRAKSJON O 2.21 1.9988.22 N 2.781 28.14.756 Ar+CO 2.9 (4).12 "Atmosfærisk" N 2 (N 2 +Ar+CO 2 ).79 28.15.768 Volum(mol)forhold: N 2 /O 2 = 79/21 =.76 Molvekt luft: M luft = 28.96 Tetthet luft: 28.96 kg/kmol 22.414 Nm /kmol luft = 1.292 kg/nm
15 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 2 +.76 N 2 ) b CO 2 + d H 2 O + a.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 2 +.76 N 2 ) nco 2 +m/2h 2 O + (n+m/4).76 N 2 Metan (CH 4 ): CH 4 + 2(O 2 +.76 N 2 ) CO 2 + 2 H 2 O + 2.76 N 2 Propan (C H 8 ): C H 8 + 5(O 2 +.76 N 2 ) CO 2 + 4 H 2 O + 5.76 N 2 16 Forbrenning med luftoverskudd (λ>1): C n H m + λ (n + m/4)(o 2 +.76 N 2 ) nco 2 + m/2h 2 O + (λ 1) (n+m/4) O 2 (n+m/4).76 N 2 Eksempel: Metan: CH 4 +2λ (O 2 +.76 N 2 ) CO 2 +2H 2 O+2(λ -1)O 2 +7.52N 2 Propan: C H 8 + 5 λ (O 2 +.76 N 2 ) CO 2 +4H 2 O + 5(λ -1)O 2 + 18.8 N 2
17 Virkningsgrad Beskriver utnyttelsen av energien i brenslet Brensel: gass, olje, kull Effekt E [W] P E elektrisitet/varme Effekt P [W] brennverdi Tabulerte verdier per kg eller liter brensel Tap Måles 18 Virkningsgrader for el.produksjon i termiske kraftverk (EU) Virkningsgrad for termiske kraftverk Kilde: O. Bolland 6 58 56 54 52 5 48 46 44 42 4 8 6 4 2 28 26 Gjennomsnitt for europeiske kraftverk Norsk gasskraftverk Avansert kullkraftverk Dagens gjennomsnittlige europeiske kullkraftverk Kina & India 24 199 1991 1992 199 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2
19 Utslipp av CO 2 fra fossile brensler Utslipp av gram CO 2 per kw he 1 12 11 1 9 8 7 6 5 4 2 1 Kilde: O. Bolland Kullkraftverk Gasskraftverk Metan (H/C=4) Destillatolje (H/C=2) Lignitt (brunkull) Bituminøst kull Antrasitt 5 4 45 5 55 6 65 7 75 8 85 9 95 1 Virkningsgrad [%] 2 Avgassmålinger Horiba PG 25 CO 5 ppm CO 2 2 vol% O2 25 vol% SO 2 1 ppm NO x 5 ppm NB: Alle målingene gjøres på tørr røykgass
21 Mengdemål Konsentrasjon av gasser i lufta oppgis på vektbasis eller volumbasis: Vektbasis: mg/m, g/m eller ng/m Volumbasis: ppm, ppb eller ppt ppm: "parts per million" 1:1 6 ppb: "parts per billion" 1:1 9 ppt : "parts per trillion" 1:1 12 Vektbasis: avhengig av trykk og temperatur Volumbasis: uavhengig av trykk og temperatur Olav Bolland 22 Mengdemål - omregning Utslippskonsentrasjon C [mg/nm ], omregnet fra ppm: C( mg / Nm ) C( ppm) C ( kg / Nm ) hvor: ( kg / Nm C ) M v c C = Gasstettheten ved Normaltilstand ( o C, 1 atm) [kg/nm ] M C = Molvekten til C [kg/kmol] v = Molvolum ved normaltilstand [22.414 Nm /kmol]
2 Mengdemål - omregning Omregning fra fuktig gass til tørr gass C tørr gass ( mg / Nm C ) fuktig gass ( mg / Nm vf 1 1 ) v f = vol% fuktighet i røykgassen 24 Mengdemål - omregning Korrigering til @ ref O 2 C C O2, ref ( mg / Nm ) C C O2, målt (21 O (21 O 2, ref ) 2, målt ) Olje og gass Bio og avfall Gassturbin @ vol% O 2, tørr @ 11 vol% O 2, tørr @ 15 vol% O 2, tørr
25 Hvorfor korrigering til @ ref O 2? Olje og gass Bio og avfall Gassturbin @ vol% O 2, tørr @ 11 vol% O 2, tørr @ 15 vol% O 2, tørr Måling luft brensel forbrenningsprodukter Luft 26 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%) 1. 11.6 % 15.5 %. % 72.9 % 1.1 1.6 % 14.2 % 1.8 % 7.4 % 1.2 9.8 % 1.1 %. % 7.8 % 1. 9.1 % 12.1 % 4.6 % 74.2 % 1.4 8.5 % 11. % 5.7 % 74.5 % 1.5 8. % 1.6 % 6.6 % 74.8 % Luftoverskuddtall CO 2 (vol%) H 2 O (vol%) O 2 (vol%) N 2 (vol%) 1. 1.8 %. %. % 86.2 % 1.1 12.4 %. % 2.1 % 85.5 % 1.2 11. %. %.8 % 84.9 % 1. 1.4 %. % 5.2 % 84.5 % 1.4 9.6 %. % 6.4 % 84. % 1.5 8.9 %. % 7.4 % 8.7 %
27 Eksempel 1 Omregning fra ppm til mg/nm og korrigering for O 2 1 ppm CO, målt ved tørr gass, og 6 vol% O 2, skal regnes om til mg/nm, ved 11 vol% O 2 28 kg / kmol CO, N 1,25 kg / 22,4Nm / kmol Nm C mg Nm ppm kg Nm mg Nm tørr gass vol O CO ( / ) 1 1, 25 / 125 /,6 % 2 Korrigert til 11 vol% O 2, blir dette: (2111) CCO ( mg/ Nm ) 125 mg/ Nm 8 mg/ Nm tørrgass,11 vol% O (21 6) 2 28 Eksempel 2 Omregning av konsentrasjon fra fuktig til tørr røykgass: 5 mg/nm, TOC (som metan) fuktig gass, skal regnes om til tørr gass. Fuktigheten i røykgassen er 8 vol%. C TOC tørk gass 5( mg / Nm ) ( mg / Nm ) 54mg / Nm 8 (1 ) 1
29 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 og korriger til 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.