energetika2 - gorenje i konverzija energije

Univerzitet u Tuzli

RUDARSKO-GEOLOŠKO-GRAĐEVINSKI FAKULTET

Odsjek: Rudarski

ENERGETSKI RESURSI I ENERGETIKA 2/15: GORENJE I TOPLOTNI RAD. PRETVARANJE I PRIJENOS ENERGIJE.

NEPOSREDNO PRETVARANJE RAZLIČITIH OBLIKA ENERGIJE U

ELEKTRIČNU ENERGIJU

Dr.Sc. Edin Delić, vanredni profesor, edin.delic@untz.ba, Tel: +38735320555

1

KORISNI OBLICI ENERGIJE

• Toplotna energija

• Mehanička energija

• Hemijska energija

• Električna energija

• (Nuklearna energija)

Izvori energije mogu se podijeliti i na:

• Izvore koji stvaraju dim

• Izvore koji ne stvaraju dim

2

ENERGETSKE TRANSFORMACIJE

Nosioci energije Transformacije energije

Hemijska energija

isplinjavanjerasplinjavanjeizgaranjedestilacijadegazolinaže

Nuklearna energija nuklearne reakcije

Potencijalna energija turbinske

Kinetička energija transformacija (pretvorba)

Toplotna energija prelaz toplote

Energija zračenja fotoćelije

3

PROCESI KONVERZIJE ENERGIJE I

OPLEMENJIVANJE GORIVA

1. Prirodne u prikladnije: direktno i indirektno korištenje

2. Hemijske u unutarnju termičku: izgaranje

3. Nuklearne u unutarnju termičku: fisija i fuzija

4. Termičke u mehaničku : turbine, toplotni motori

5. Potencijalne u mehaničku: turbine

6. Mehaničke u električnu: generatori

7. Električne u mehaničku: motori i vodne pumpe

8. Toplotne (svjetlosne) u električnu : fotoćelije

9. Kinetičke u mehaničku : turbine

10. Oplemenjivanje goriva: degazacija, gazifikacija, destilacija, likvefakcija, separacija

4

GORENJE (SPALJIVANJE, IZGARANJE)

• Piroliza - termohemijska razgradnja organskog materijala na povišenim

temperaturama (iznad 430 ° C) u odsustvu kiseonika.

• Tinjanje (niskotemperaturna oksidacija) - spor, niskotemperaturni besplameni

oblik izgaranja. Obično je nepotpuno izgaranje.

• Spontana upala - nastaje kao posljedica tinjanja.

• Gorenje (izgaranje, spaljivanje) je tok egzotermne hemijske reakcije između

goriva i oksidanta uz proizvodnju toplote. Oslobađanje toplote može biti praćeno i

svjetlosnim efektom.

• Izgaranje može biti:

- Deflagraciono koje se širi termalnom kondukcijom, odnosno kod koga se proces

odvija brzinom manjom od brzine zvuka i

- Detonaciono kod koga je proces gorenja veći od brzine zvuka.

• Izgaranje može biti kompletno i nekompletno.

5

GORIVO ZA KORIŠTENJE MOŽE BITI

• Prirodno dostupni (ugalj, nafta, prirodni gas, biomasa, biogas...)

• Sintetički generirano (koks, alkohol, benzen, neorganski otpad, vodonik ...)

I zakon TD:

U2 – U1 = Q – W

U – unutrašnja energija

Q – toplota

W - rad

6

Q

Q Q Q

A. B. C. D.

Q Q Q

A. B. C. D.

m, p0, v0, T0

m=const

m, p1, v1, T1

m, p2, v2, T2

m, pn, vn, Tn

...

ConstT

vp

T

vp

T

vp

T

vp

n

nn ......2

22

1

11

0

00

Q

Kompresija: Toplota se oslobađa u okolinu

Ekspanzija: Toplota iz okoline prelazi na gas

Pretvaranje toplote u rad i rada u toplotu 7

RAD ŠIRENJA ZAPREMINE

F

Rad: W=F l

Sila: F=pS

Rad: W=pSl

Zapremina: dV = Sl

Rad: W = pdV

F

Rad: W=F l

Sila: F=pS

Rad: W=pSl

Zapremina: dV = Sl

Rad: W = pdV

Sila: F = m a (N)

Rad: A = F S = m a S (J)

Energija E – sposobnost za vršenje rada ili

prijenos toplote

Snaga: P = A / t (J/s = W)

Energija: 𝐸 = 𝑃 𝑡𝑡2𝑡1

(J)

Zapreminski rad – rad ekspanzije!

m (kg) – masa; a (m/s2) – ubrzanje; S (m) –

dužina (put); t (s) – vrijeme; P (W) - snaga

8

Toplo

tijelo

Hladno

tijelo Kompresor

Mehanički rad

Toplotna pumpa

toplota

Toplo

tijelo

Hladno

tijelo Motor

Mehanički rad

Toplotna mašina

toplota

9

RASHLADNA MAŠINA

10

INVERZNI PROCES - GRIJANJE

11

ISKORIŠTENJE ENERGIJE

Primarna

energija

Pretvorbeni

oblici energije

Gubici

Koristan rad

energija Ukupna

Gubici1

energija Ukupna

Gubici - energija Ukupna

energija Ukupna

radKoristan

12

CARNOT-OV KRUŽNI CIKLUS

http://www.grc.nasa.gov/WWW/K-12/airplane/carnot.html 13

IDEALAN I REALAN MOTOR

Temperatura okoline

Temperatura radnog tijela

Carno

motor

Toplotni

gubici

Realan

motor

Maksimalno

(teoretsko)

iskorištenje

14

DRUGI POZNATI CIKLUSI

• Otto

• Diesel

Ilustracija: US DOE

usisavanje sabijanje širenje izduhavanje

15

RANKINOV CIKLUS

Kotao

Kondenzator

Turbina

Pumpa

v, m3/kg

p,P

a

Isparavanje

Adijabatska

ekspanzija

16

Drvo Ugalj

Prirodni

plin

Nuklearna

fisija

Vodene

snage

Plima i

oseka

Geotermalna

energija

Sunčevo

zračenje

Treset

Sirova

nafta

Uljni

škriljci

Nuklearna

fuzija Valovi Vjetar Toplina

mora

Potencijalna energija Kinetička energija Energija zračenja Nuklearna energija Hemijska energija

Termička energija

Mehanička energija

Termička energija

Električna energija

Toplotna energija

Mehanička energija

Rasvjetna energija

Električna energija

Tran

sfo

rmir

ani

ob

lici

Ko

risn

i ob

lici

17

VRSTE

ELEKTRANA Konvencionalne

Parne motorne TE

Parne turbinske TE

Dizel TE

Gasne TE

Hidroelektrane

Niklearne elektrane

Nekonvencionalne

Termoelektrični generator

Termojonski generator

Elektrane na gorivne ćelije

Fotooptičke elektrane

Termoelektrane na biomasu

Geotermoelektrane

Vjetroelektrane

Elektrane na talase, plimu/oseku i morske struje

Pojmovi:

- „kogeneracija“

- „hibridizacija“

18

SPALJIVANJE U KOTLU

Vazduh

(oksidans)

Gorivo Ostatci gorenja

PLAMEN

Gas

Toplotni gubici

TOPLOTA!

LEBDEĆI PEPEO

ŠLJAKA – SEDMINETIRANI PEPEO

Gorenje ili spaljivanje: BRZI PROCES OKSIDACIJE

Faktori:

- Temperatura

- Turbulencija

- Vrijeme

19

DOBRO I LOŠE SPALJIVANJE

(UNEP 2008)

20

EMISIJE CO2

Gorivo Kg CO2/GJ

Benzin 69

Kerozin 72

Mlazno gorivo 72

Dizel i lož ulje 74

Mazut 77

Geotermalna para 15

Zemni gas 56

Naftni gas (LPG) 63

Koksni ugalj 95

Mrki ugalj 95

Kameni ugalj 96

Treset 106

21

UGALJ

• 65-95% C

• 2-7% H

• Ispod 25% O

• Ispod 10% S

• 1-2% N

• 20-70% Čvrsta goriva materija

• 5-15% Pepeo

• 2-20% voda

• 20-45% volatili

Vrsta

uglja

Toplotna

moć

MJ/kg

Sadržaj

vlage

%

Isparljivi

sastojci

%

Sadržaj

ugljenika

%

lignit do 12,6 31 - 60 51 - 60 65 - 70

mrki ugalj 12,7 -

23,9 11 - 30 46 - 50 71 - 80

kameni

ugalj 24 - 37,7 do 10 4 - 45 81 - 98

22

FAZE SPALJIVANJA

• Sušenje i zagrijavanje

• Devolatilizacija

• Spaljivanje volatila

• Spaljivanje čvrstog goriva

• Odnos gorivo/oksidans pri spaljivanju je esencijalan

• Složeni transfer toplote u međufaznom toku

23

OSNOVNI PROCESI SPALJIVANJA UGLJA

Čestice uglja 30-75m

Odvajanje

volatila

Homogeno

spaljivanje

Heterogeno

spaljivanje

CO2, H2O, …

CO2, H2O, … ČUS

Volatili

Devolatiliza

cija ČUS

Vrste uglja:

- Lignit

- Mrki ugalj

- Kameni ugalj / Antracit

24

DEKARBONIZACIJA

Ugalj Nafta Metan Vodonik

25

HEMIZAM

Količina vazduha potrebna za spaljivanje 1 kg ugljenika:

Spaljivanje može biti

- KOMPLETNO i

- NEKOMPLETNO!

Proces spaljivanja može se odvijati:

- PRI ATMOSFERSKOM PRITISKU

- PRI POVIŠENOM PRITISKU

𝐶𝑎𝐶𝑂3 + 1830 𝑘𝐽

𝑘𝑔 𝐶𝑎𝑂 + 𝐶𝑂2

𝑀𝑔𝐶𝑂3 + 1183 𝑘𝐽

𝑘𝑔 𝑀𝑔𝑂 + 𝐶𝑂2

𝑀𝑣𝑧 = 11,53𝐶 + 34,34 𝐻 −𝑂

8+ 6,8𝑆

𝑘𝑔

𝑘𝑔

𝐶 + 𝑂2 𝐶𝑂2 + 32790 𝑘𝐽

𝑘𝑔 𝑢𝑔𝑙𝑗𝑎

𝑆 + 𝑂2 𝑆𝑂2 + 9260 𝑘𝐽

𝑘𝑔 𝑠𝑢𝑚𝑝𝑜𝑟𝑎

𝐶𝑛𝐻𝑚 + 𝑛 +𝑚

4𝑂2 𝑛𝐶𝑂2 +

𝑚

2𝐻2𝑂 + 𝑡𝑜𝑝𝑙𝑜𝑡𝑎

26

PRED-PROCESI SPALJIVANJA

Skladištenje • Kompresija i likvefakcija

Transport • Pumpanje

Priiprema

• Oplemenjivanje ili obogaćivanje

• Uparavanje

• Usitnjavanje

Indukcija

• Miješanje (fluidizacija!!!!)

• Injektiranje

27

SPALJIVANJE I POST-SPALJIVANJE

Spaljivanje • Termo-hemijske reakcije

Hemijska konverzija

• Unutrašnje sagorijevanje

• Spoljašnje sagorijevanje

Transfer energije

• Toplota

• Rad

Emisije u okolinu

• Produkti gorenja (CO, UV, NOx, SO2, PM)

• Primarni (PM, nesagorjelo gorivo, CO2, SO2, NOx) i sekundarni polutanti (SO3, NO2)

• Kontrola štetnih emisija (prethodno i naknadno uklanjanje, inertizacija, neutralizacija)

28

PODJELA PRODUKATA GORENJA

Ekstremno opasni

• CO

• Nesagorjelo gorivo (ugljenik, UV)

Visoko opasni

• NO2

• SO3

Srednje opasni

• NO

• SO2

29

KARAKTERISTIKE GORENJA - STALI

• Goriva i oksidansi

• Granolometrijska struktura (kontaktna površina)

• Specifični toplotni kapaciteti

• Aktivacioni mehanizam

• Reakcioni mehanizam

• Stehiometrijski odnos

• Brzina gorenja

• Količina toplote (toplotna vrijednost)

• Temperatura

• Pritisak

• Intenzitet spaljivanja

GORIVO + VAZDUH TOPLOTA + VODA + UGLJENDIOKSID + AZOT 30

VRSTE PROCESA GORENJA

• Laminarni plamen prethodno izmiješane gorive smješe

(oksidant i gorivo izmiješani prije spaljivanja; miješanje

oksidanta i goriva u toku spaljivanja)

• Turbulentni plamen prethodno izmiješane smješe i difuzioni

plamen

• Turbulentno gorenje u zatvorenom prostoru

• Gorenje u bojlerima i spaljivačima (incineratorima)

31

FLUIDIZACIJA GORIVA

• Učinak spaljivanja fluidiziranih goriva je veći nego spaljivanja čvrstih goriva

• Zbog roga se vrši „fluidizacija“ čvrstih goriva, a najvažnija je fluidizacija ugljeva

• Režimi fluidizacije:

- Upakovani fluidizirani sloj

- Sloj ispunjen mjehurićima

- Muljeviti sloj

- Turbulentni sloj

- Mjehuričasto-turbulentni sloj

• Hidrodinamikčki režim fluidizacije

• Smješe gasovi/čvrste materije (pneumatski transport)

32

PEPEO – ČVRSTI OSTATAK

• Odvajanje elektrostatskim filterima

• Vrećasti filteri

• Mokri filteri

• Cikloni

33

STEHIOMETRIJSKI ODNOS

Kotao Produkti godenja

Gorivo Oksidans

C, CnHm

O2

Dodaci

Dim

PM (čađ)

Reaktanti

Stehiometrijski odnos:

Međudobni odnos količine goriva i vazduha (kiseonika) kod koga se ostvarujep otpuno

(ili maksimalno) izgaranje.

U ovom slučaju imamo MAKSIMALAN UČINAK U RADNOJ ZAPREMINI!

Količina oslobođene toplote ovisi i „toplotnoj moći goriva“, a proces spaljivanja od

načina izgaranja goriva.

34

FLUIDIZACIJA GORIVA

Pliva

Tone

Curi

35

IZGARANJE U FLUIDIZIRANOM SLOJU

(FLUIDIZED BED COMBUSTION - FBC)

• Fluidizacija: dovođenje čvrstog ili tečnog goriva u prividno gasovito stanje, odnosno stanje „fluidizacije“

i izgaranje u sloju u kome je gorivo u takvom stanju.

• Obično se drobljenjem čvrsto gorivo usitni do te mjere da se može izmiješano sa vazduhom ubacivati u

kotao i spaljivati kao gasovito gorivo, odnosno sitne čestice goriva raspršene pravilno u prostoru.

• Fluidizacijom se postiže:

- Brže strujanje i veći protoci goriva i vazduha kroz kotao

- Visok stepen mješanja sa vazduhom i homogenizacije smješe

- Učestali sudari između čestica ili čestica sa zidom kotla

- Brže izgaranje zbog veće kontaktne površine i bolje disperzije goriva

- Jednostavnija manipulacija gorivom i produktima gorenja

- Lakša kontrola procesa gorenja u kotlovima i upravljanje procesom

• Konstrukcije kotlova za izgaranje u fluidiziranom sloju prave se tako da se osigura jedan od 3 načina

upravljanja:

1. Stacionarni sloj

2. Cirkulacioni sloj

3. Vibracioni fluidizirani sloj

36

FBC

37

SPALJIVANJE U BOJLERU

(http://www.parboiler.com/images/1-4-pass-boilers.jpg) 38

TIPOVI FCB

(Izvor: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/en/c/c3/Combustion_systems_for_solid_fuels.gif)

• PCB (packed-bed); BB (bubbling bed); TB (turbulent bed); Brzi sloj; Pneumatski transportovan sloj

39

GORIVA KOJA SE MOGU FLUIDIZIRATI

• Ugalj (antracit, mrki uglja, lignit)

• Drvo i druga biomasa

• Mulj (otpadci papira,

• Komunalni otpad (gorivi dio otpada)

• Naftni derivati (naftni „kolač“, uljni škriljci)

• Gas

• Poljoprivredni otpad

40

TERMOELEKTRANA

(Izvor: http://www.uky.edu/KGS/coal/images/power_plant.jpg) 41

KONVENCIONALNA TERMOELEKTRANA

Dimnjak

ložišta Para

Kotao Generator

Turbine Hladnjaci

42

ELEKTROENERGETSKI SISTEM

43

GENERATORI U TE TUZLA

44

KOMBINOVANI CIKLUS UGALJ-GAS

45

SISTEM SA DOGRIJAVANJEM PARE

46

TURBINE

Impulsne Reaktivne

Impulsne: energija dominantno kinetička; Reaktivne: uglavnom pritisak

Impulsne: u radu učestvuje jedno ili manji broj krila; Reaktivne: u radu

učestvuju sva krila (reaktori)

Impulsne: radna materija ne prolazi kroz radno kolo; Reaktivne: radna

materija prilazi kroz rotor

47

OTEC ELEKTRANA – TOPLOTA OKEANA

48

NUKLEARNA ENERGIJA

Problemi: OPASNOST i TRETMAN NUKLEARNOG OTPADA

Proizvodnja pare

Turbine Generator

Reaktor

49

GEOTERMALNA

ENERGIJA

50

51

HIDROENERGIJA

Uticaj hidro

akumulacija na

okolinu

Zavisnost od

vodotoka

Sezonska ovisnost

52

HIDROENERGIJA BIH

Teoretskiiskoristive

vodne snage

TWh/god

Tehničkiiskoristive

vodne snage

TWh/god

Udioiskoristivih

odteoretskog

%

Prosječnaproizvodnjaizgrađenih

HETWh/god

Udioizgrađenih od

iskoristivih

%

Sava 9,76 4,48 45,9 0,24 5,4

Kupa 3,03 1,25 41,3 0,32 25,6

Una 2,90 1,39 47,9 0,04 2,9

Vrbas 3,35 1,68 50,1 0,54 32,1

Bosna 4,99 1,70 34,1 0,05 2,9

Drina 18,53 13,92 75,2 2,70 19,4

Neretva-Trebišnjica

10,42 7,78 74,7 4,65 59,8

53

ENERGIJA VJETRA

•Nema negativnih uticaja na okolinu osim zauzimanja prostora •Ograničena mogućnost upotrebe

54

PLIMA I OSEKA, MORSKE STRUJE

55

SOLARNA ENERGIJA Fotoelektrički (posredno)

Termalno (direktno)

56

SOLARNA ELEKTRANA „DIMNJAK“ I PARABOLIČNI

KOLEKTOR

57

GORIVNE ĆELIJE (FUEL CELLS)

(David Flin, Cogeneration, IET London, UK)

58

TERMOELEKRANE U BIH

• Tuzla, Kakanj, Ugljevik, Gacko

• (Stanari u izgradnji i Banovići u najavi)

59