Analiza porównawcza spalania w piecu grzewczym oleju opałowego, biopaliwa i gazu ciekłego dla rónego nadmiaru podawanego powietrza

Transkrypt

1 349 Zbigniew Zdrojewsi, Adam Figiel, Stanisław Pero Instytut Inynierii Rolniczej Aademia Rolnicza we Wrocławiu Analiza porównawcza spalania w piecu grzewczym oleju opałowego, biopaliwa i gazu ciełego dla rónego nadmiaru podawanego powietrza Streszczenie Badania przeprowadzono na jednym piecu, z palniami na olej i cieły gaz po ustawieniu zuycia paliwa na stał moc 75 W. Zawarto tlenów azotu dla biodiesla SETA Diesel równa 80 mg/m3, była o0 % nisza, anieli dla oleju EKOTERM Plus. Temperatura spalin była wysza o o.10 0 C. Straty ominowe dla olejów były nisie, jedna dla biopaliwa nieco wysze, 7,5%, anieli dla oleju opałowego 7%. Iloci tlenu wgla dla wszystich paliw były jedynie ladowe/. Słowa luczowe: temperatura spalin, strata spalania, tlene wgla, tleni azotu, współczynni lambda Wyaz oznacze: A, B współczynnii do równa [-] CO, CO, N, O, NO x sładowe spalin [%] S strata ominowa [%] współczynni nadmiaru powietrza [-] CO max, O max - masymalne zawartoci w spalinach [%] T ot, T sp temperatury otoczenia, spalin [ 0 C] BBK-S, BBW-S błdy wadratowe bezwzgldne i wzgldne straty ominowej [%] Wstp i cel pracy

2 350 Wyorzystanie rzepau do celów napdowych jest przedmiotem zasadniczego zainteresowania t upraw. Liczne s badania dotyczce aspetów ogólnych wyorzystania rzepau w celach energetycznych oraz porównania spalania biodiesla i oleju napdowego w silniach samochodowych. Przeprowadzone te były ostatnio badania dotyczce eonomicznej strony tego zagadnienia [Zdrojewsi i in. 00]. Natomiast wyorzystanie oleju rzepaowego surowego lub w mieszaninie z olejem napdowym do celów energetycznych jest rzadziej analizowane w literaturze [Karcz, Kosiare 004; Organista 003; Wil i in.1999; Machura, Wasylów 1999]. Problem ley bowiem w lepoci oleju rolinnego (9cSt- analogia do lepoci mazutu) przy,5cst dla oleju napdowego. Tymczasem w pratyce mona np. spota załady suszarnicze, gdzie piece na paliwo ciełe zasilane s nie tylo znacznie taszym olejem opałowym, ale i w wyjtowych sytuacjach droszym olejem napdowym. Z drugiej strony, w celu uzysania najmniejszych osztów paliwa, te same piece grzewcze wyposaane mog by w palnii na olej opałowy, na gaz płynny oraz na oba te paliwa. Std celem pracy było przeprowadzenie bada porównawczych spalania w jednym piecu trzech rodzajów paliw ciełych oleju opałowego, biopaliwa i gazu płynnego propan. W badaniach jao parametr zmienny przyjto zmienny współczynni nadmiaru powietrza. Stanowiso pomiarowe i metodya bada Badania przeprowadzono na otle eliwnym i palniach jednego producenta. Kocioł o mocy znamionowej W przeznaczony był do spalania wszystich rodzajów gazu ziemnego, gazu płynnego i leiego oleju opałowego. Do bada wyorzystano olej opałowy Lei EKOTERM Plus producji polsiej i biopaliwo SETA Diesel producji czesiej, tóry posiadał 34% udział estru metylowego oleju rzepaowego. Jao paliwa gazowego uyto do bada propan. Istniej dwa systemy mieszajce paliwo i powietrze. Pierwszy polega na zastosowaniu tarczy spitrzajcej, drugi opiera si na równoległym doprowadzeniu paliwa i powietrza. Dla potrzeb bada wyorzystano róne ustawienie tarczy spitrzajcej, tóra rozdziela powietrze z dmuchawy na 3 strumienie (rys.1). Poprzez

3 351 odpowiednie uształtowanie tarczy spitrzajcej uzysuje si wzajemne dopasowanie strumieni powietrza, a przez to moliwo sterowania jaoci spalania i poziomu emisji substancji szodliwych w spalinach. Zmiana ustawienia płyti spitrzajcej odbywała si co 1 obrót (czyli co 0,8 mm) dla palnia olejowego i co 1/8 obrotu dla palnia gazowego, poniewa przy zmianie co 1 obrót gwałtownie wzrastała ilo tlenu wgla CO w spalinach. Obroty ruby regulacyjnej przeprowadzano w lewo i prawo od połoenia rodowego, optymalnego. Badania na biopaliwie przeprowadzono z przyczyn technicznych na mniejszej iloci ustawie tarczy spitrzajcej do przodu cofajc Rys. 1 Pierwsze pomiary przeprowadzono po wstpnym ustawieniu cinienia oleju na poziomie 5 bar dla palnia olejowego i 58 mbar dla gazu propan przed redutorem i 0 mbar za redutorem. Ustawienia te pozwoliły osign moc palniów wynoszc 75 W. Badania zostały doonane przy uyciu analizatora spalin Spectra 000. Wyonywano pomiary zawartoci tlenu, tlenu wgla i tlenów azotu w spalinach. Za masymaln zawarto tlenu przyjto 0,95%, a za masymaln zawarto dwutlenu wgla CO przyjto 15,4% dla oleju opałowego i 13,7 dla propanu. Wobec brau danych dla biodiesla, przyjto warto ja dla oleju. W oparciu o znajomo iloci tlenu obliczano zawarto CO z zalenoci (1)

4 35 (1) O CO = CO * (1 max O pom max ) Współczynni nadmiaru powietrza obliczono natomiast z zalenoci () CO λ = CO max pom = O O max max O pom () Najwaniejsz strat spalania, strat ominow S obliczano z równania (3) (3) S = ( T sp T ot ) * ( A CO α * CO + B) *100 + CO + CO gdzie wartoci współczynniów A, B i przyjto za producentem analizatora równe odpowiednio 0,5-0,007-5 dla oleju oraz 0,4-0,008-3 dla propanu. Naley zaznaczy, e nie ma standardu, co do wartoci tych współczynniów, poniewa róni producenci analizatorów podaj róne wartoci A i B, nawet dla poszczególnych paliw w rónych rajach. zalenoci Błdy wadratowe bezwzgldne BBK straty ominowej S obliczano z BBK S = ± S T ot * dt ot S + T sp * dt sp S + O * do + S CO * dco (4) Wynii bada Poprzez róne nastawy połoenia tarczy spitrzajcej uzysiwano róne wartoci współczynnia nadmiaru powietrza λ, tóre dla oleju i biopaliwa były identyczne. Dla oleju był to zares 1,15 1,9, dla biopaliwa 1,-1,9 (ograniczony ze wzgldów technicznych), a dla gazu wartoci λ było wysze, 1,33-1,59. Charaterystya zmian połoe tarczy spitrzajcej w postaci obecnoci tlenu w spalinach, poazana jest na rysunu. Równym odstpom midzy olejnymi

5 nastawami tarczy spitrzajcej (co 0,8mm) zwiszajcym ilo podawanego powietrza do spalania, odpowiadał dla wszystich paliw wzrost zawartoci tlenu.dla oleju i biopaliwa wieloci były podobne, natomiast dla gazu były o 1,5-3% wisze. zawarto tlenu w spalinach, [%] Rys. olej opałowy biopaliwo gaz propan pozycje połoenia tarczy spitrzajcej Analiza zawartoci tlenu wgla w spalinach (rys.3) wsazuje, e dla zaresów porównywalnych, wartoci dla biopaliwa s nieco mniejsze anieli dla oleju. Wartoci w ogóle s jedna bardzo nisie, równie dla gazu, bowiem s rzdu 0-4 ppm. Całowicie upowania to do stwierdzenia, e po spaleniu oleju i biopaliwa uzysano bardzo, nisie, podobne zawartoci tlenu wgla (czadu). Jedynie dla gazu dla ostatniej nastawy, zawarto CO rosła gwałtownie do o ppm. 16 zawarto tlenu wgla w spalinach, [ppm] <3000 biopaliwo gaz propan olej opałowy Rys pozycje połoenia tarczy spitrzajcej 353

6 354 Zawarto tlenów azotu NO x w spalinach przedstawia rysune 4. Najmniejsze wartoci s dla biopaliwa (rzdu 80 mg/m 3 ) i s to wartoci o 0% mniejsze anieli dla oleju opałowego. W miar zwiszania współczynnia nadmiaru λ wartoci te s coraz mniejsze i opisano je wielomianem stopnia (R =0,78-0,87). W badaniach Pgowsiego [1993] z silniiem wysooprnym, dla biopaliwa, wartoci NO x były o 0% wisze anieli dla oleju napdowego. Z olei w badaniach Karcza i Kosiare [004] wartoci te były w zaresie mg/m 3, lecz dotyczyły oleju rolinnego surowego. zawarto tlenów azotu w spalinach, [mg/m3] NO x = 78,413λ - 39,88λ + 75,88 R = 0,779 Rys. 4 NO x = -486,19λ + 133,λ - 819,08 R = 0, NO x = -016λ + 500,8λ - 301,7 R = 0,8691 biopaliwo gaz propan 1,15 1,5 1,35 1,45 1,55 współczynni nadmiaru powietrza λ, [-] olej opałowy Analizie poddano równie temperatur spalin na wylocie z pieca grzewczego. Wynii pomiarów przedstawia rysune 5. Wynia z niego, e dla oleju i biopaliwa, temperatura spalin wraz ze wzrostem współczynnia λ do 1,9 zmniejszyła si o o. 5 0 C, natomiast dla gazu zwiszyła si o 15 0 C. Dla biopaliwa temperatura spalin była o o.10 0 C wysza anieli dla oleju, co wynia z wyszej wartoci ciepła spalania

7 355 (49/44 MJ*g -1 ). Oznacza to, e mona zwiszy powierzchni wymiany ciepła w piecu, a wic moc grzewcz dla tej samej iloci podanego paliwa. Wynii oblicze straty ominowej z uwzgldnieniem strat na tlene wgla w spalinach przedstawia rysune 6. Dla całego zaresu bada strata dla biodiesla była o 0,5% wisza. Uzysane wartoci straty ominowej naley uzna za nisie, bowiem odpowiada to sprawnoci spalania 9,5-93%. Dla gazu propan, straty spalania, ja dla wszystich pieców gazowych, były w tych badaniach jeszcze mniejsze, jednae tylo dla mniejszych wartoci współczynnia λ (poniej 1,4). Dla zaresu 1,35 1,60 zaleno ta była liniowa ze współczynniiem determinacji R =0,98. Dla oleju opałowego zaleno ta te była liniowa, jedna dotyczyła wsiego zaresu współczynnia λ. Naley jedna zauway, e błd bezwzgldny wadratowy, obliczony z zalenoci (4) dla prawdopodobiestwa wystpienia 95%, jest równy o. +/-0,6%, co jest istotne dla uzysanych rónic w stracie ominowej dla wszystich paliw w zaresie 5,8-7,7%. Odpowiednio błd wzgldny S był równy o. +/-8%. 00 temperatura spalin, [ 0 C] T=10 0 C olej opałowy biopaliwo gaz propan T sp = -13,93λ + 410,94λ - 184,5 R = 0, ,15 1,5 1,35 1,45 1,55 współczynni nadmiaru λ, [-] Rys 5

8 356 8,00 strata ominowa, [%] 7,50 7,00 6,50 6,00 5,50 5,00 S = 3,3379λ +,9537 R = 0,8411 S = 6,4563λ -,703 R = 0,9785 Błd bezwzgl. wadratowy BBK-S = +/- 0,6% Błd wzgldny wadratowy BWK-S = +/- 8% 1,15 1,5 1,35 1,45 1,55 współczynni nadmiaru powietrza λ, [-] olej opałowy biopaliwo gaz propan Rys 6 Wniosi 1. Przy ustawionej mocy pieca 75 W, temperatura spalin przy spalaniu biopaliwa była o o C wysza, anieli przy spaleniu oleju opałowego. Mona zatem powiszy powierzchni otła i uzysa zwiszenie efetywnoci energetycznej.. Zawarto tlenów azotu NOx dla biopaliwa wynosiła 80 mg/m 3 i była o 0% mniejsza anieli dla oleju. 3. W spalinach stwierdzono ladowe iloci CO zarówno dla oleju, biopaliwa oraz propanu. 4. Strata ominowa przy spalaniu biopaliwa była najwysza ( o. 7,5%), mniejsza dla oleju (o. 7%), a najmniejsza dla gazu (6%) jedna dla wiszych wartoci współczynnia λ. Bibliografia Karcz H., Kosiare A Wyorzystanie olejów rolinnych jao paliw energetycznych w ciepłownictwie, ciepłownictwie. COW, nr 3, s Machura K., Wasylów J Nowe normy emisji substancji zanieczyszczajcych w spalinach otłowych i co dalej?.gospodara Paliwami i Energi, nr 4, s. 4. Organista W. 00. Analiza zastosowania paliw pochodzenia rolinnego oraz mieszanian z olejem opałowym leim do opalania urzdze grzewczych. Konferencja Nau.-Techniczna, Energetya 00, Wrocław. Pgowsi Z Zastosowanie paliw rolinnych w silniach wysooprnych. Badania i perspetywy. Paliwa alternatywne do silniów spalinowych, IBMER, Warszawa. Wil R, Szl A., Pite R, Zielisi Z Wpływ warunów spalania oleju opałowego leiego na emisj substancji tosycznych w palenisach małej mocy. Archiwum Ochrony rodowisa, Vol. 5, nr, s Zdrojewsi Z., Pero S. Stare M. 00. Opłacalno wyorzystania rzepau na biopaliwo. In. Rol. 5(38),

9 357 Analysis of fuel oil, biofuel and lpg combustion in a heating furnace at various mixture of fuel and air Summary Studies were done on one heating furnace with burners for furnace oil, biofuel and liquid propane gas. The consumption was fixed for a thermal power of 75 W. The temperature of exhaust from biodiesel was by 10 0 C higher, than from fuel oil. Amount of nitric oxide was by 0% lower for biodiesel than for fuel oil. Chimney losses for LPG were low (6%) and for biodiesel 0.5% higher than for fuel oil (7%). There were only very small amounts of carbon monoxide found. Key words: coefficient of excess air, nitric oxide, carbon monoxide, chimney losses, temperature

10 358 Spis tabel i rysunów Rys. 1. Schemat palnia. 1-tarcza spitrzajca, -dysza, 3-trzpie dyszy, 4-rura palnia Fig. 1. Scheme of burner. 1-swelling dis, -nozzle, 3-arbor of nozzle, 4-tube of burner. Rys.. Zawarto tlenu O w spalinach po spaleniu paliw w porównywalnych warunach. Fig.. Contents of oxygen O in the exhaust, after combustion of fuels in the comparable conditions. Rys. 3. Zawarto tlenu wgla CO w spalinach po spaleniu paliw w porównywalnych warunach. Fig. 3. Contents of monoxide carbon CO in the exhaust, after combustion in the comparable conditions. Rys. 4. Zawarto tlenów azotu NO x w spalinach, dla rónych współczynniów nadmiaru powietrza. Fig. 4. Contents of nitric oxide NO x in the exhaust, for different coefficients of excess air. Rys.5. Zaleno temperatury spalin T sp od współczynnia nadmiaru powietrza. Fig. 5. Dependence of the temperature of the exhaust T sp, on the coefficient of excess air. Rys. 6. Strata ominowa S, dla rónych współczynniów nadmiaru powietrza. Fig. 6. Chimney loss S, for different coefficient of excess air.