Mamk / Tekniikka ja liikenne / Sähkövoimatekniikka / Sarvelainen 2015 T8415SJ ENERGIATEKNIIKKA Laskuharjoitus

Transkriptio

1 Mamk / Tekniikka ja liikenne / Sähkövoimatekniikka / Sarvelainen 2015 T8415SJ ENERGIATEKNIIKKA Laskuharjoitus KEMIALLISIIN REAKTIOIHIN PERUSTUVA POLTTOAINEEN PALAMINEN Voimalaitoksessa käytetään polttoaineena kivihiiltä, jonka kosteuspitoisuus on 10 %. Kivihiilen kuiva-aineen koostumus: Hiili (C) 73,2 % Vety (H) 4,7 % Rikki (S) 1,0 % Happi (O) 9,1 % Typpi (N) 1,0 % Tuhka 11,0 % 1. Kuinka paljon tarvitaan palamisilmaa, kun poltetaan 1 kg kivihiiltä ilmakertoimella 1,2? 2. Kuinka paljon muodostuu savukaasuja ja mikä on savukaasujen koostumus? Oletuksia: - palamisilma on täysin kuivaa - kaikki palavat komponentit palavat täydellisesti - palamisessa ei muodostu typen oksideja

2 Ratkaisu tehtävään 1 Kuiva-aineen jakauman ja kosteuspitoisuuden perusteella voidaan määrittää kostean polttoaineen jakauma. Kosteassa kivihiilessä on 10 % vettä ja 90 % kuiva-ainetta, joten esimerkiksi hiilipitoisuus on kosteassa kivihiilessä 65,9 %. Muiden ainesosien osuus lasketaan samalla periaatteella. Kuiva kivihiili Kostea kivihiili Hiili 73,2 % 65,9 % Vety 4,7 % 4,2 % Rikki 1,0 % 0,9 % Happi 9,1 % 8,2 % Typpi 1,0 % 0,9 % Tuhka 11,0 % 9,9 % Vesi 0 % 10,0 % Yhteensä 100,0 % 100,0 % Määritetään kostean kivihiilen prosenttiosuuksien perusteella massaosuudet. Prosenttiosuus Massaosuus Hiili 65,9 % 658,8 g Vety 4,2 % 42,3 g Rikki 0,9 % 9,0 g Happi 8,2 % 81,9 g Typpi 0,9 % 9,0 g Tuhka 9,9 % 99,0 g Vesi 10,0 % 100,0 g Yhteensä 100,0 % g

3 Massaosuuksien ja moolimassojen perusteella voidaan määrittää alkuaineiden ainemäärät. jossa n ainemäärä [mol] m massa [g] M moolimassa [g/mol] Esimerkiksi hiili: Massaosuus Moolimassa Ainemäärä Hiili (C) 658,8 g 12,01 g/mol 54,85 mol Vety (H 2 ) 42,3 g 2,02 g/mol 20,94 mol Rikki (S) 9,0 g 32,06 g/mol 0,28 mol Happi (O 2 ) 81,9 g 32,00 g/mol 2,56 mol Typpi (N 2 ) 9,0 g 28,02 g/mol 0,32 mol Vesi (H 2 O) 100,0 g 18,02 g/mol 5,55 mol HUOM. Molekyylien moolimassat on laskettu atomien moolimassoista. Palavat alkuaineet reagoivat hapen kanssa seuraavien reaktioyhtälöiden mukaisesti. Hiili: C + O 2 CO 2 Vety: H 2 + ½O 2 H 2 O Rikki: S + O 2 SO 2 Ainemäärä on kerroin jokaisen alkuaineen tai reaktiotuotteen edessä. Reaktioyhtälöt tasapainotetaan tarvittaessa kertoimilla siten, että yhtälön molemmilla puolilla on

4 sama määrä atomeja. Molekyylin tai atomin edessä oleva kerroin ilmoittaa kyseisen komponentin ainemäärän. Palavien alkuaineiden reaktioyhtälöistä, massoista sekä moolimassoista voidaan määrittää polttoaineen tarvitsema teoreettinen hapen ainemäärä. Polttoaineen sisältämä hapen määrä vähentää hapen tarvetta. Ainemäärä Hapen tarve Hiili (C) 54,85 mol 54,85 mol Vety (H 2 ) 20,94 mol 10,47 mol Rikki (S) 0,28 mol 0,28 mol Happi (O 2 ) 2,56 mol - 2,56 mol Hapen tarve yhteensä 63,05 mol Ilma sisältää tilavuusprosentteina 21 % happea, 78 % typpeä ja 1 % muita kaasuja. Muut kaasut voidaan sisällyttää typen määrään, jolloin typpeä on 79 %. Typen ainemäärä saadaan näin määritettyä hapen ainemäärän perusteella. Kivihiiltä poltetaan yli-ilmalla (ilmakerroin 1,2), joten todelliset ainemäärät saadaan ilmakertoimen perusteella. Teoreettinen ainemäärä Todellinen ainemäärä Happi 63,05 mol 75,66 mol Typpi 237,17 mol 284,61 mol Hapen ja typen todellisten ainemäärien sekä moolimassojen ja -tilavuuksien mukaan voidaan laskea palamisilman tarve. Ainemäärä Moolimassa Moolitilavuus Happi 75,66 mol 32,00 g/mol 22,39 m 3 n/kmol Typpi 284,61 mol 28,02 g/mol 22,40 m 3 n/kmol

5 Palamisilman tarve massana: Palamisilman tarve tilavuutena: Ratkaisu tehtävään 2 Määritetään palamisreaktioista palamistuotteiden ainemäärät. Hiili: C + O 2 CO 2 Vety: H 2 + ½O 2 H 2 O Rikki: S + O 2 SO 2 Palamistuotteiden lisäksi savukaasuihin tulee kivihiilen sisältämä typpi ja vesi. Yliilman osuus siirtyy myös savukaasuihin. - hiilidioksidi (CO 2 ) 54,85 mol - vesi vedystä (H 2 O) 20,94 mol - rikkidioksidi (SO 2 ) 0,28 mol - typpi polttoaineesta (N 2 ) 0,32 mol - vesi polttoaineen kosteudesta (H 2 O) 5,55 mol - typpi teoreettisesta ilmasta (N 2 ) 237,17 mol - ylimäärähappi (O 2 ) 12,61 mol - ylimäärätyppi (N 2 ) 47,43 mol

6 Kun samat molekyylit vielä yhdistetään, saadaan savukaasun komponenttien ainemäärät. - hiilidioksidi (CO 2 ) 54,85 mol - vesi (H 2 O) 26,49 mol - rikkidioksidi (SO 2 ) 0,28 mol - happi (O 2 ) 12,61 mol - typpi (N 2 ) 284,93 mol Ainemäärien sekä moolimassojen ja -tilavuuksien mukaan voidaan laskea savukaasujen määrä. Ainemäärä Moolimassa Moolitilavuus Hiilidioksidi 54,85 mol 44,01 g/mol 22,26 m 3 n/kmol Vesi 26,49 mol 18,02 g/mol 22,40 m 3 n/kmol Rikkidioksidi 0,28 mol 64,06 g/mol 21,89 m 3 n/kmol Happi 12,61 mol 32,00 g/mol 22,39 m 3 n/kmol Typpi 284,93 mol 28,02 g/mol 22,40 m 3 n/kmol Savukaasun komponenttien määrät massoina ja tilavuuksina. Massa Tilavuus Hiilidioksidi 2 414,1 g 1,221 m 3 n Vesi 477,3 g 0,593 m 3 n Rikkidioksidi 18,0 g 0,006 m 3 n Happi 403,5 g 0,282 m 3 n Typpi 7 983,7 g 6,382 m 3 n Yhteensä ,7 g 8,485 m 3 n

7 Lopuksi määritetään kostean ja kuivan savukaasun komponenttien osuudet tilavuusprosentteina. Kuivasta savukaasusta on poistettu vesi, joten savukaasun kokonaistilavuudesta vähennetään veden osuus. Hiilidioksidipitoisuus kosteassa savukaasussa: Hiilidioksidipitoisuus kuivassa savukaasussa: Kostea savukaasu Kuiva savukaasu Hiilidioksidi 14,4 % 15,5 % Vesi 7,0 % - Rikkidioksidi 0,1 % 0,1 % Happi 3,3 % 3,6 % Typpi 75,2 % 80,9 % Yhteensä 100,0 % 100,0 %

8 Palamisen periaate: Ilmakertoimen määrittäminen: