Spalanie jest to reakcja chemiczna, podczas której zachodzi gwałtowne utlenianie pierwiastków chemicznych. Reakcja ta połączona jest z wydzielaniem się ciepła i często również światła. Zagadnienie spalania w technice dotyczy spalania paliw.

Spalanie następuje w trzech, występujących kolejno fazach:

– Podgrzewanie paliwa. Z paliwa stałego odparowuje woda natomiast paliwo ciekłe zmienia się w parę.

– Piroliza – dalsze podgrzewanie powoduje rozkład węglowodorów złożonych na substancje prostsze jak węgiel, wodór, węglowodory proste.

– Utleniane – łączenie węgla, wodoru i węglowodorów prostych z tlenem.

Do tego aby reakcja spalanie mogła zajść niezbędne jest paliwo, tlen oraz odpowiednia temperatura nazywana temperaturą zapłonu. Temperatura zapłonu jest czynnikiem inicjującym proces spalania i jej wartość jest zależna od składu paliwa.

Można powiedzieć o spalaniu, że jest niecałkowite i niezupełne. Co to oznacza. Jeżeli w stałych produktach spalania pozostały jakieś substancje palne, np. węgiel w postaci sadzy mamy do czynienia ze spalaniem niecałkowitym. Jeżeli w lotnych produktach spalania znajdują się składniki, które nie uległy utlenieniu do postaci ostatecznej spalanie jest niezupełne. Jeżeli na przykład w spalinach znajduje się wodór lub tlenek węgla to spalanie nie jest zupełne ponieważ ostateczną postacią spalania tych składników jest woda i dwutlenek węgla.

Paliwa dzielimy na stałe (węgiel, koks, drewno, torf), płynne (olej opałowy, benzyna, nafta) oraz gazowe (gaz ziemny, koksowniczy, miejski). O jakości paliw mówi ilość wydzielanego się podczas spalania ciepła. Im więcej ciepła można uzyskać z 1 kg lub 1 m3 paliwa tym paliwo jest bardziej kaloryczne czyli po prostu lepsze.

Do scharakteryzowania oraz porównania jakości paliw wyznacza się wartość opałową lub ciepło spalania.

Wartość opałowa jest to ilość ciepła jaka wydzieli się podczas spalania 1 kg paliwa stałego lub płynnego albo z 1 m3 paliwa gazowego.

Jeżeli w produktach spalania paliwa pojawi się para wodna, powstała z reakcji wodoru z tlenem i jeżeli uda nam się odzyskać ciepło z pary wodnej (zwane ciepłem utajonym), na przykład poprzez obniżenie temperatury spalin i skroplenie pary jeszcze w komorze spalania, to wartość opałowa paliwa powiększona o to odzyskane ciepło jest nazywana ciepłem spalania.

Takie zjawisko zachodzi w kotłach kondensacyjnych. Dlatego obliczając sprawność takiego kotła przy uwzględnieniu wartości opałowej otrzymujemy wartość sprawności powyżej 100%.

Składnikami palnymi w paliwach są węgiel C, wodór H oraz w niewielkich ilościach siarka S. Pierwiastki te występują w paliwach często w postaci związków. Przykładowo, wzory chemiczne nafty: C13H28 oraz  C15H32 , gaz wysokometanowy (metan) CH4

Jednym z niezbędnych czynników spalania jest tlen doprowadzony do paliwa z powietrzem. Aby obliczyć ilość powietrza niezbędną do spalania, należy najpierw obliczyć zapotrzebowanie tlenu. Zapisujemy reakcje spalania poszczególnych składników paliwa. Dla paliw stałych i ciekłych uwzględniamy masę atomową pierwiastków

Reakcja spalania węgla:

C + O2 = CO2

Z masy atomowej pierwiastków wynika, że do spalenia 12 kg węgla C potrzeba 2×16=32 kg tlenu O2 i z tej reakcji otrzymamy 44 kg dwutlenku węgla CO­2

W taki sam sposób wyznaczymy składniki w reakcji spalania wodoru:

H2 + O2 = H2O

Do spalenia 2 kg wodoru potrzeba 32 kg tlenu i otrzymamy 18 kg wody.

Podobnie spala się siarka:

S + O2 = SO2

Na 32 kg spalonej siarki przypada 32 kg tlenu i dostajemy 62 kg dwutlenku siarki.

Jeżeli mamy paliwo, którego składnikami w procentach masy wynoszą dla węgla C%, dla wodoru H%, dla siarki S% oraz tlenu O%, to teoretyczne zapotrzebowanie na tlen do spalenia 1 kg tego paliwa opisane jest wzorem:

Ot = 3/8C + 8 H + S – O   [kg]

Ostatni składnik równania to tlen zawarty w paliwie. Weźmie on udział w reakcji spalania i zmniejszy zapotrzebowanie tlenu z zewnątrz.

Ponieważ powietrze składa się z tlenu w ilości 0,23 kg na 1 kg i z azotu w ilości 0,77 kg na 1 kg powietrza, to wyznaczając ilość powietrza niezbędnego do spalenia 1 kg paliwa otrzymamy:

L = 1/0,23  (3/8 C + 8 H + S – O)   [kg]

Rozpatrując zapotrzebowanie tlenu do spalania paliw gazowych zamiast masą substratów posługujemy się ich objętością. Tutaj podobnie inaczej niż  powyżej oznaczenia CO, H, CH4 i O oznaczają mole lub metry sześcienne substratów i produktów reakcji (1 mol gazu zajmuje w warunkach normalnych 0,0224 m3).  Zapisując reakcje spalania paliw gazowych zawierających wodór H, tlenek węgla CO i metan CH4 otrzymamy:

H2 + ½ O2 = H2O

Oznacza to, że do spalenia 2 m3 wodoru potrzeba 0,5 m3 tlenu i powstaje 1 m3 wody.

CO + ½ O2 = CO2

Z reakcji wynika, że 1 m3 tlenku węgla i 0,5 m3 tlenu daje 1 m3  dwutlenku węgla.

CH4 + 2 O2 =  CO+ 2H2O

Na 1 m3 CH4 potrzeba 2 m3 tlenu.

Obliczając zapotrzebowanie tlenu dla paliwa gazowego bierzemy pod uwagę procentową zawartość jego składników w jednostkach objętości.

Ot  = ½ CO + ½ H + 2 CH4 – O2   [m3]

Objętościowa zawartość tlenu w powietrzu wynosi 21%, zatem teoretyczna ilość powietrza niezbędna do spalenia 1 m3 paliwa wynosi:

L = 1/0.21 (½ CO + ½ H + 2 CH4 – O)  [m3]

Rozpatrując spalanie paliw stałych sumy mas substratów (lewa strona reakcji chemicznej) i mas produktów (prawa strona reakcji chemicznej) muszą pozostać jednakowe.

Przy spalaniu gazów niezbędną ilość tlenu wyznaczamy w jednostkach objętości. W przytoczonych reakcjach spalania widać, że suma objętości substratów i produktów jest różna. Jest to zjawisko kontrakcji objętości. W każdej z reakcji cząsteczki łączą się ze sobą tworząc nowe związki i liczba cząsteczek zmniejsza się. Na przykład dwie cząsteczki wodoru i jedna cząsteczka tlenu tworzą dwie cząsteczki wody.

Dotychczasowe obliczenia dotyczyły wyznaczenia teoretycznej ilości niezbędnego do spalania tlenu. Jeżeli jednak w warunkach rzeczywistych dostarczymy do procesu spalania tylko taką ilość tlenu jaka wynika z powyższych obliczeń nie każda cząsteczka paliwa znajdzie swoją cząsteczkę tlenu. W związku z tym rzeczywista ilość dostarczonego powietrza powinna być większa. Każde paliwo ma charakterystyczny dla siebie współczynnik nadmiaru powietrza (l). Wyraża się on stosunkiem ilości powietrza dostarczonego w nadmiarze do ilości powietrza jaka wynika z obliczeń.

Jeżeli nie doprowadzimy do spalanie powietrza z wystarczającą nadwyżką to niektóre cząsteczki paliwa mogą pozostać nie spalone lub spalone niedokładnie. Na przykład część węgla nie wejdzie w reakcję z tlenem i pozostanie sadza albo węgiel zamiast połączyć się z dwoma atomami tlenu i stworzyć dwutlenek węgla połączy się tylko z jednym i otrzymamy tlenek węgla. Skutkiem tego w procesie spalania wydzieli się mniej energii cieplnej. Węgiel spalając się na tlenek węgla wydzieli ciepło w ilości 10 MJ/kg zamiast 34 MJ/kg gdyby spalił się na dwutlenek węgla. Natomiast sadza w produktach spalania jest to węgiel zawarty w paliwie, który nie uległ spaleniu.

W celu dokonania analizy spalania wyznacza się procentową zawartości poszczególnych składników spalin. Jednym ze sposobów analizy jest metoda wykreślna nazywana Trójkątem Ostwalda. Metoda zakłada, że w spalinach nie ma sadzy i dla takiego składu spalin przeprowadza się analizę. Na wykresie Ostwalda ujmuje się wartość tylko trzech zmiennych: tlenu, dwutlenku węgla i tlenku węgla.

Postaram się przedstawić wyprowadzenie wzorów mających zastosowanie przy konstruowaniu trójkąta Ostwalda. Trójkąt Ostwalda wykreśla się w ten sposób, że na osi pionowej nanosi się maksymalną procentową zawartość dwutlenku węgla w spalinach. Na osi poziomej nanosi się maksymalną teoretyczną zawartość tlenu w spalinach. Jest to wartość 21%, ponieważ taka jest zawartość tlenu w czystym powietrzu. Oczywiście takiej ilości tlenu w spalinach nigdy nie otrzymamy, jest to wartość graniczna niezbędna do konstrukcji wykresu.

Stosunek wagowy wodoru do węgla występujący w produktach spalania paliw węglowodorowych  a  wyraża się:

(1)               Stosunek wodoru do węgla

Symbole chemiczne odnoszą się do procentowej objętości wyrażonej w procentach, liczby 2,015 i 12 są to masy atomowe atomów wodoru H2 i atomu węgla C.

Z powyższego równania wyznaczamy:

(2)                                                                      H2O = 5,955 α (CO2 + CO + CH4) – H2 – 2CH4

Powietrze zawiera 20,9% O2 i 79,1% N2. Objętość powietrza można rozdzielić na powietrze zużyte do spalania O2’ oraz nadmiar powietrza O2

(3)                                                                                       N2 = (79,1/20,9)*(O2 – O2’)

(4)                                                                                    O2’ = CO2 + 0,5CO + 0,5H2O

Podstawiając równanie (2) do (4) a następnie (4) do (3) otrzymamy:

(5)                             N2 = 3,785O2 + 3,785CO2 + 1,892CO – 1,892H2 – 3,785CH4 +11,268a(CO2 + CO + CH4)

Ilość azotu można wyznaczyć:

(6)                                                                      N2 = 100 – O2 – CO2 – CO – H2 – CH
Z równania (5) i (6) otrzymamy:

(7)                                  20,9 = O2 + CO2(1 + 2,355a) + CO(0,604 + 2,355a) – 0,186H2 – CH4(0,582 – 2,355a)

Równanie (7) jest ogólnym równaniem teoretycznej zależności pomiędzy produktami spalania węglowodorów.

Dalej przyjmując, że w produktach spalania nie występują metan i wodór oraz robiąc kolejno dwa założenia, że całą objętość spalin zajmuje dwutlenek węgla a następnie tlenek węgla otrzymujemy wierzchołki trójkąta Ostwalda:

(8)                                                                             CO2 max =  20,9 / (1 + 2355a)

(9)                                                                          CO max =  20,9 / (0605 + 2,355a)

Punk CO2 max stanowi wierzchołek trójkąta na osi pionowej, punkt O2 = 21% jest wierzchołkiem na osi poziomej. Punkty łączy się linią prostą i otrzymujemy linię, na której znajdują się punkty spalania zupełnego, to znaczy, że w spalinach nie występuje  tlenek węgla, CO = 0. Maksymalna teoretyczna zawartość tlenku węgla wynosi CO max, wartość ta leży na prostej przechodzącej przez początek układu współrzędnych. W celu ustalenia procentowej podziałki zawartości w spalinach dwutlenku węgla należy podzielić odcinek prostopadły do linii spalania zupełnego i przechodzący przez początek układu współrzędnych na CO max odcinków.

Na przykładowym wykresie poszczególne wartości składników spalin wynoszą [O2]=21%, [CO2]max=18,9%, [CO]max=29,2

Wykres Ostwalda

Wykres Ostwalda                                                                                                                                                                                                                                                                              

j

Nasza strona internetowa używa plików cookies (tzw. ciasteczka) w celach statystycznych, reklamowych oraz funkcjonalnych. Dzięki nim możemy indywidualnie dostosować stronę do twoich potrzeb. Każdy może zaakceptować pliki cookies albo ma możliwość wyłączenia ich w przeglądarce, dzięki czemu nie będą zbierane żadne informacje. Dowiedz się jak wyłączyć...

The cookie settings on this website are set to "allow cookies" to give you the best browsing experience possible. If you continue to use this website without changing your cookie settings or you click "Accept" below then you are consenting to this.

Close