1 ENERGIANALYSE AV KJEL Semesteroppgave TT1 Institutt for energi- og prosessteknikk ANSVARLIG Teori: Morten Grønli Praksis: Halvor Flatberg & Helge Laukholm
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 Globalt forbruk av energiråvarer 1860 2000 Millioner tonn olje ekvivalenter (Mtoe) 10000 Biomasse Vannkraft Uran 8000 6000 J. Watt M. Faraday T.A. Edison N.A. Otto R. Diesel Æ. Elling H. Ford 1736-1819 1791-1867 1847-1931 1832-1891 1858-1913 1861-1949 1863-1947 Dampmaskin Elektromotor Glødelampen Bensinmotor Dieselmotor Gassturbin Bilproduksjon 1769 1831 1879 1876 1897 1903 1914 Natur gass 4000 Olje 2000 Kull 0 1860 1880 1900 1920 1940 1960 1980 2000 Sources: BP Stat. Rev. of World Energy 2000 and earlier editions. Scientific American, Sept. 1990
4 Globalt forbruk av energiråvarer 1860 2000 med framskrivninger til 2020 (Mtoe) 16000 9 8 Befolkningsutvikling, milliarder Vannkraft Uran 14000 12000 7 6 5 4 Natur gass 10000 8000 6000 3 2 1 0 Utviklingsland Industrialiserte land 1860 1880 1900 1920 1940 1960 1980 2000 2020 Olje 4000 Kull 2000 0 1860 1880 1900 1920 1940 1960 1980 2000 2020 Biomasse Kilders: BP Stat. Rev. of World Energy 2000 og tidligere utgaver. Scientific American, Sept. 1990. Framskrivninger: DoE Internat. Energy Outlook, UNEP (befolk
5 Elproduksjon i Europa - 2000 Elproduksjonen i Europa var på 3100TWh Elproduksjonen i Norden var på 375TWh 62 av elproduksjonen i Norden kommer fra vannkraft
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 121 120 Series1 utlignet Vekt [gram] 119 118 117 116 115 114 Vekttap: 6,0 g/h y = -0.0986x + 121.05 0 10 20 30 40 50 60 70 Tid [min]
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
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 80.2 3.3 2.0 1.1 0.70 31.30 8.69 338 Lignitt 42.4 2.8 12.4 0.7 0.70 16.80 4.67 333 Torv 54.5 5.6 32.0 1.4 0.24 21.00 5.83 343 Trevirke 51.8 6.1 41.2 0.3 0.01 20.89 5.80 327 Flytende brensler Parafin 86.1 13.8 0.10 46.27 12.85 246 Fyringsolje 1&2 86.4 13.4 0.19 45.76 12.71 249 Tungolje 87.8 11.2 1.00 43.38 12.05 267 Gassformige brensler Metan (CH 4 ) 75.0 25.0 55.50 15.42 178 Propan (C 3 H 8 ) 81.8 18.2 50.35 13.98 214 Naturgass fra Nordsjøen 74.7 23.7 1.0 0.6 52.18 14.49 189
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 Virkningsgrader for el.produksjon i termiske kraftverk (EU) Virkningsgrad for termiske kraftverk Kilde: O. Bolland 60 Norsk gasskraftverk 58 56 54 52 50 48 46 Avansert kullkraftverk 44 Gjennomsnitt for 42 europeiske kraftverk 40 38 36 Dagens gjennomsnittlige 34 32 europeiske kullkraftverk 30 28 Kina & India 26 24 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 19992000
12 Utslipp av CO 2 fra fossile brensler Utslipp av gram CO 2 per kwhe 1300 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 Kilde: O. Bolland Kullkraftverk Gasskraftverk Metan (H/C=4) Destillatolje (H/C=2) Lignitt (brunkull) Bituminøst kull Antrasitt 0 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 Virkningsgrad [%]
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 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 Sammensetning av luft KOMPONENT MOLFRAKSJON MOLVEKT MASSEFRAKSJON O 2 0.21 31.9988 0.232 N 2 0.781 28.0134 0.756 Ar+CO 2 0.009 (40) 0.012 "Atmosfærisk" N 2 (N 2 +Ar+CO 2 ) 0.790 28.150 0.768 Volum(mol)forhold: N 2 /O 2 = 79/21 = 3.76 Molvekt luft: M luft = 28.96 Tetthet luft: 28.96 kg/kmol ρ luft = 3 22.414 Nm /kmol = 1.292 kg/nm 3
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 2 + 3.76 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 2 +3.76 N 2 ) nco 2 +m/2h 2 O + (n+m/4) 3.76 N 2 Metan (CH 4 ): CH 4 + 2(O 2 + 3.76 N 2 ) CO 2 + 2 H 2 O + 2 3.76 N 2 Propan (C 3 H 8 ): C 3 H 8 + 5(O 2 + 3.76 N 2 ) 3 CO 2 + 4 H 2 O + 5 3.76 N 2
17 Forbrenning med luftoverskudd (λ>1): C n H m + λ (n + m/4)(o 2 +3.76 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 4 + 2 λ (O 2 +3.76 N 2 ) CO 2 +2H 2 O + 2 (λ -1)O 2 + 7.52 N 2 Propan: C 3 H 8 + 5 λ (O 2 +3.76 N 2 ) 3CO 2 +4H 2 O + 5 (λ -1)O 2 + 18.80 N 2
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 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 [22.414 Nm 3 /kmol]
20 Mengdemål - omregning Omregning fra fuktig gass til tørr gass C tørr gass ( mg / Nm 3 ) = C fuktig gass ( mg vf 1 100 / Nm 3 ) v f = vol% fuktighet i røykgassen Korrigering til @ 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 Gassturbin @ 3 vol% O 2, tørr @ 11 vol% O 2, tørr @ 15 vol% O 2, tørr
21 Korrigering til @ ref O 2 Olje og gass Bio og avfall Gassturbin @ 3 vol% O 2, tørr @ 11 vol% O 2, tørr @ 15 vol% O 2, tørr Måling luft brensel forbrenningsprodukter Luft
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%) 1.0 11.6 % 15.5 % 0.0 % 72.9 % 1.1 10.6 % 14.2 % 1.8 % 73.4 % 1.2 9.8 % 13.1 % 3.3 % 73.8 % 1.3 9.1 % 12.1 % 4.6 % 74.2 % 1.4 8.5 % 11.3 % 5.7 % 74.5 % 1.5 8.0 % 10.6 % 6.6 % 74.8 % Luftoverskuddtall CO 2 (vol%) H 2 O (vol%) O 2 (vol%) N 2 (vol%) 1.0 13.8 % 0.0 % 0.0 % 86.2 % 1.1 12.4 % 0.0 % 2.1 % 85.5 % 1.2 11.3 % 0.0 % 3.8 % 84.9 % 1.3 10.4 % 0.0 % 5.2 % 84.5 % 1.4 9.6 % 0.0 % 6.4 % 84.0 % 1.5 8.9 % 0.0 % 7.4 % 83.7 %
23 Eksempel 1 Omregning fra ppm til mg/nm 3 og korrigering for O 2 100 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 3 3 3 3 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 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 3 3 50( mg / Nm ) TOC tørk gass mg / Nm ) = = ( 54mg / Nm 8 (1 ) 100 3
25 Avgassmålinger Horiba PG 250 CO 0 5000 ppm CO 2 0 20 vol% O2 0 25 vol% SO 2 0 1000 ppm NO x 0 5000 ppm NB: Alle målingene gjøres på tørr røykgass
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 Omregningsfaktorer MJ kwh TKE TOE Sm 3 Naturgass Fat råolje 1 MJ 1 0,278 0,0000341 0,0000236 0,0236 0,000176 1 kwh 3,60 1 0,000123 0,000085 0,0927 0,000635 1 TKE 29300 8140 1 0,69 695 5,18 1 TOE 42300 11788 1,44 1 1190 7,49 1 Sm 3 35,54 9,87 0,00121 0,00084 1 0,00629 1 fat råolje 5670 1569 0,193 0,134 159 1 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)