Understøkiometrisk forbrænding

Transkript

1 Understøkiometrisk forbrænding Projektrapport Oktober 1995 Dansk Gasteknisk Center a/s D r. Neergaards Vej SB 2970 Hørsholm Tlf Fax dgc@dgc.dk

2 Understøkiometrisk forbrænding Asger Nedergaard Myken Dansk Gasteknisk Center a/s Hørsholm 1995

3 Titel Rapport kategori Forfatter Understøkiometrisk forbrænding Projektrapport Asger Nedergaard Myken Dato for udgivelse Oktober 1995 Copyright Dansk Gasteknisk Center a/s Sagsnummer Sagsnavn Understøkiometrisk forbrænding ISBN For ydelser af enhver att udført af Dansk Gasteknisk Center a/s (DGC) gælder: - at DGC er ansvarlig i henhold til "Almindelige bestemmelser for teknisk rådgivning & bistand (ABR 89Y, som i øvrigt anses for vedtaget for opgaven. - at erstatningsansvaret for fejl, forsømmelser eller skader over for rekvirenten eller tredjemand gælder pr. ansvarspådragende fejl eller forsømmelse og altid begrænses tilloo% af det vederlag, som DGC har modtaget for den pågældende ydelse. Rekvirenten holder DGC skadesløs for alle tab, udgifter og erstatningskrav, der m.åtte overstige DGC's hæftelse. - at DGC skal - uden begrænsning - omlevere egne ydelser i forbindelse med fejl og forsømmelser i DGC's materiale. Juni 1992

4 DG C-rapport 1 INDHOLDSFORTEGNELSE SIDE l Indledning Konklusion Forsøgsbeskrivelse Databehandling Uforbrændte kulbrinter Brintmålinger Fyringsteknisk virkningsgrad..., Beregning af virkningsgrad S.l Balanceligninger Røggastab Tab til omgivelserne Tab på grund af emission af uforbrændte komponenter Sammenligning af målt og beregnet virkningsgrad Nomenklatur Referencer Understøkiometrisk forbrænding AMY\jkt\RAP\FORBR.R

5 DGC-rapport 2 1 Indledning Af forskellige årsager kan gasbrændere komme til at køre med luftunderskud (A.< 1), dvs. med en understøkiometrisk gas/luft-blanding. V ed understøkiometrisk forbrænding indeholder røggassen på grund af ilt-underskuddet store mængder CO (kulilte). I praksis starter CO-udviklingen allerede ved et svagt luftoverskud. CO er giftigt ved indånding, og understøkiometrisk forbrænding udgør derfor en sundhedsrisiko, fx i forbindelse med indtrængning af røggasser i boliger. Ofte opdages problemer med dårlige forbrændingsforhold, inden det kommer så vidt. Dette kan fx ske ved, at der pludseligt sker en uforklarlig stigning i en kundes gasforbrug. Ved understøkiometrisk forbrænding falder kedlens fyringstekniske virkningsgrad nemlig drastisk, da en del af gassens brændværdi ikke nyttiggøres. CO har en brændværdi pr. volumenenhed, som er ca. 113 af naturgassens. Dansk Gasteknisk Center (DGC) undersøgte i projektet "Belastningens indflydelse på gasblæseluftbrændere" forskellige faktorers indflydelse på gasfyrede villakedlers virkningsgrad /11. Der blev bl.a. foretaget forsøg med understøkiometrisk forbrænding, og sammenhængen mellem CO-indholdet i røggassen og virkningsgraden blev undersøgt. De målte virkningsgrader var systematisk lavere end beregnet ud fra røgens indhold af CO og u forbrændte kulbrinter. Forringelsen i virkningsgraden var ca. dobbelt så stor som beregnet. Som en mulig forklaring på forskellen mellem målinger og beregninger blev det foreslået, at der udover CO måske også var brint, H 2, til stede i røgen. H 2 's brændværdi pr. volumenenhed er sammenlignelig med CO' s. Da DGC ikke har udstyr til måling af H 2 -indhold, og da der ikke var forventet brint i røggassen, blev det ikke målt ved de udførte forsøg. Det blev fra flere sider betvivlet, at der kunne være brint i røggassen. For at få afklaret spørgsmålet har DGC repeteret forsøgene, og fået røggassens H 2 -indhold analyseret. Foruden indflydelsen på virkningsgraden er røgens brintindhold også interessant ved vurdering af risikoen for røggaseksplosioner.

6 DG C-rapport 3 2 Konklusion DGC har gennemført en forsøgsrække med en gasblæseluftbrænder ved understøkiometrisk drift. Målingerne er foretaget under samme betingelser som tidligere forsøg, der viste en uoverensstemmelse mellem målte og beregnede kedelvirkningsgrader /11. Ved varierende luftunderskud er der målt indfyret effekt, nyttiggjort effekt, kedlens overfladetemperatur, røggastemperatur og røggassammensætning. Kedlens overfladetemperatur er benyttet til beregning af overfladetabet fra kedlen. Ved hvert målepunkt er der udtaget røggasprøver i teflonbelagte poser, som derefter er benyttet til bestemmelse af røggassens brintindhold. I forbindelse med den eksterne analyse af røgens brintindhold blev der som kontrol også målt CO-indhold i prøveposerne. Analyserne viste en lineær sammenhæng mellem CO- og H 2 -indholdet, og forholdet mellem volumenandelene af H 2 og CO er ca. 0,73. Brint forekommer med andre ord i mængder, som er sammenlignelige med CO-indholdet. Kontrolmålingerne af CO-indholdet viste sig at være lavere end laboratoriemålingeme. Årsagen antages at være indtrængning af falsk luft i prøveposerne i forbindelse med prøveudtagningen. De målte brintkoncentrationer er derfor korrigeret vha. den ovenfor nævnte sammenhæng mellem kulmonooxid og brint. Den forventede virkningsgrad er bestemt ud fra det beregnede røggastab, overfladetab og tab pga. uforbrændte bestanddele i røggassen. Den målte virkningsgrad falder lineært med 4,4 procentpoint pr. vol % CO i tør røggas. Den beregnede virkningsgrad stemmer overens med den målte ved lave CO-værdier, men falder kun 3,8 procentpoint pr. vol-% CO i tør røggas. Heraf skyldes 1,7% brændværdien af røggassens brintindhold. Ved at medregne brændværdien af røgens brintindhold reduceres forskellen mellem den målte og beregnede virkningsgrad altså fra 2,3 til 0,6 procentpoint pr. vol-% CO i tør røggas. Den maksimale forskel mellem den målte og beregnede

7 DG C-rapport 4 virkningsgrad (ved 3,1% CO) er 2,2%, hvilket ligger inden for forsøgets samlede målenøjagtighed. Korrektionen af den målte brintværdi medfører en vis usikkerhed på de eksakte procentsatser. Dette ændrer dog ikke, at røggassen ved understøkiometrisk forbrænding med den anvendte kedel og brænder indeholder brint i så store mængder, at dennes brændværdi har væsentlig indflydelse på kedlens virkningsgrad. Resultatet kan ikke generaliseres til alle villakedler, da udformningen af kedel og brænder påvirker forbrændingsforholdene.

8 DGC-rapport 5 3 Forsøgsbeskrivelse Der er udført forsøg med gasblæseluftbrænderen Weishaupt WG 1N- 1F monteret på en T ASSO 20 M støbejernskedel Målingerne er foretaget ved fuldlastdrift med en indfyret effekt på ca. 20 kw. Vandflowet og returtemperaturen er holdt på henholdsvis ca /h og ca. 60 C. Ved normal drift fås da en fremløbstemperatur på ca. 80 C. Der er først målt ved drift med et normalt luftoverskud svarende til et iltindhold på 2,5% i røggassen. I dette tilfælde er der ca. 10 ppm CO i røgen. Her og i det følgende refererer % og ppm til volumenandele, med mindre andet er angivet. Derefter er forbrændingsluftmængden gradvist reduceret, mens den indfyrede effekt er fastholdt. Der er lavet forsøg med op til 3, l% CO i røggassen. Gas Der er målt følgende størrelser: -Tryk -Temperatur -Flow Vand - Fremløbstemperatur - Returtemperatur - Flow Luft - Temperatur - Barometerstand - Dugpunktstemperatur Røggas - Temperatur - Indhold af: 02, co2, CO, NOX, CxHy, H2 Andet - Overfladetemperatur på kedlens frontplade For yderligere detaljer henvises til /1/. DGC har ikke udstyr til måling af gassers brintindhold. Der er derfor udtaget gasprøver fra skorstenen i teflonbelagte poser (for at hindre

9 DG C-rapport 6 udslip af H 2 ). Brintindholdet i disse prøveposer er bestemt af Haldor Topsøe A/S ved hjælp af en gaskromotograf. Prøveposerne fyldes med en lille pumpe, som via en slange er tilsluttet skorstenen. Inden påfyldning af poserne er de fyldt med luft og tømt igen 2 gange for at fjerne alle eventuelle rester af tidligere prøver. Derefter er de fyldt med røg 3 gange for at minimere den tilbageværende luftmængde.

10 DG C-rapport 7 4 Databehandling 4.1 Uforbrændte kulbrinter Kulbrintemåleren (CxHy) giver et signal, der er proportionalt med antallet af C-atomer, som er bundet i kulbrinter. Hvis der kun er et C atom pr. molekyle, som fx for metan, passer signalet umiddelbart, men et molekyle med fx 3 C-atomer tæller 3-dobbelt. Signalet skal derfor korrigeres med det gennemsnitlige antal C-atomer pr. molekyle. Denne størrelse kendes ikke, da sammensætningen af de uforbrændte kulbrinter ikke er bestemt. Det antages derfor, at de u forbrændte kulbrinter har samme gennemsnitlige antal C-atomer pr. molekyle som naturgassen. Den højest målte værdi for CxHy er ca ppm, så indholdet af uforbrændte kulbrinter har under alle omstændigheder kun mindre indflydelse på beregningerne. Det gennemsnitlige antal C-atomer pr. molekyle for naturgassen er beregnet ud fra gennemsnitssammensætningen, /2/, til - CNG = 1,1323 (4.1) Tilsvarende er det gennemsnitlige antal H-atomer pr. molekyle beregnet til - HNG = 4,2319 (4.2) Kulbrintemålingen korrigeres ved at dividere signalet med eng: (4.3) hvor Cuo er koncentrationen af uforbrændt gas.

11 DG C-rapport Brintmålinger,... = o > ~ ~...!. "-... ~ e o u Røggassens brintindhold er, som omtalt i afsnit 3, bestemt ved gaskromatografi hos Haldor Topsøe A/S (HT). Som kontrol har HT desuden målt CO-indhold i de udtagne prøver, og disse værdier er derefter sammenholdt med de øvrige CO-målinger. Det viste sig, at der var en systematisk afvigelse mellem de samhørende CO-målinger, som fremgår af figur 4. l IQ 1.25 l o L~ t / ~ "' / ~ ~ (III v / ~ ~ o 0.5 l CO (DGC) [vol- 0 /o] Figur 4.1. Sammenhæng mellem CO-indholdet målt af henholdsvis DGC og Haldor Topsøe. v CO-værdierne målt af HT er ca. 45% af de tilsvarende værdier bestemt af DGC. Forskellen antages at skyldes en fortyndelseseffekt, forårsaget af indtrængning af luft i forbindelse med fyldning af prøveposerne. I figur 4.2 ses, at der er en lineær sammenhæng mellem H 2 - og COindholdet målt i prøveposerne af HT. Det målte volumen af H 2 er ca. 73% af CO-indholdet.

12 DG C-rapport l i ~! ~ ~! ~ t... l... o,ojo+o,728*~o -r T _.. ~ = l -Q ~ = o o l CO [vol- 0 /o] 1.6 Figur Sammenhæng mellem H 2 og CO målt af Haldor Topsøe. For at undgå fejlen på grund af fortyndingen er H 2 -indholdet i de efterfølgende beregninger bestemt ud fra CO-indholdet ved hjælp af udtrykket i ovenstående figur. Der er efterfølgende lavet en måling for at kontrollere, om den anvendte pumpe er årsag til forskellen i CO-værdierne. I stedet for at fylde poserne med pumpen, er de placeret i en tønde, hvortil pumpen er tilsluttet. Det etablerede undertryk på posens yderside medfører, at posen fyldes via slangen, som er monteret direkte på røggaskanalen. Analyserne viste den samme forskel som ved de forrige forsøg, så tilsyneladende skyldes afvigelserne mellem de to CO-målinger ikke utætheder i pumpearrangementet

13 DG C-rapport Fyringsteknisk virkningsgrad Den indfyrede effekt, Pind' og den afgivne eller nyttiggjorte effekt, Pnyu er beregnet ved hjælp af programmet BOlLER. Virkningsgraden er derefter beregnet direkte som TJ = P,.yt 100% pind (4.4) BOILER beregner bl.a. også en korrektion til virkningsgraden som følge af afvigelsen fra standardbetingelserne for omgivelsernes temperatur. Den største forskel i denne korrektion i samtlige målinger er O, l%, og der er derfor set bort fra denne.

14 DG C-rapport 11 5 Beregning af virkningsgrad 5.1 Balanceligninger De normalt anvendte udtryk for forbrændingstekniske størrelser ved naturgasforbrænding er baseret på antagelsen af fuldstændig forbrænding, se fx /3/. De kan derfor ikke anvendes ved understøkiometrisk forbrænding. I det følgende opstilles de nødvendige ligninger, som anvendes til beregningerne i afsnit 5.2 og 5.4. Ved kontinuert drift er nettomasseflowet ind i kedlen nul, dvs. flowet ind i systemet er i balance med flowet ud af systemet. Flowet ind i systemet deles op i gasflow og flowet af forbrændingsluft, mens flowet ud af systemet opdeles i tør røggas og flow af vanddamp. Årsagen til den sidste opdeling er, at røgens vandindhold bortkondenseres, inden den analyseres, og de målte koncentrationer gælder derfor for den tørre røggas. Af de fire ovennævnte flow er det i praksis kun muligt at måle gasflowet. De tre øvrige bestemmes relativt til gasflowet ud fra balanceligninger for de enkelte atomer, som indgår i processen: C, H, N og O. Det er derfor praktisk at operere med molfraktioner i stedet for volumenfraktioner, som måleinstrumenterne angiver. Volumen- og molfraktionerne i den tørre røggas betegnes henholdsvis C 0, Cco, og X 0, Xco,.... Molfraktionerne beregnes ved udtrykket: 2 2 C/ z; X; = -N~--- L CSJzi) j=i (5.1) hvor i og j gennemløber alle komponenterne i den tørre røggas, og Z; er kompressibilitetsfaktoren for komponent i ved 20 C og l atm. I den tørre røggas måles volumenfraktionerne af 0 2, C0 2, CO, CxHy og NOx, hvor sidstnævnte er regnet som NO. CH.,_ beregnes ud fra Cco som omtalt i afsnit 4.2.

15 DGC-rapport 12 Kulbrintemålingen korrigeres som beskrevet i afsnit 4.1. Summen af molfraktionerne for kvælstof og argon beregnes som forskellen mellem summen af de øvrige komponenter og l. C N. beregnes ved at 2 antage, at forholdet mellem argon og kvælstof i den tørre røggas er det samme som i atmosfærisk luft (0,012 m 3 Ar/m 3 N 2 ): (5.2) V andindholdet i forbrændingsluften er bestemt ud fra den målte dugpunktstemperatur. Derefter er molbrøkerne for forbrændingsluften (X 0 ) 1, (XN) 1 og (XH 0 ) 1 beregnet, igen under hensyntagen tilluftens 2 2 argon-indhold. Den første balanceligning opstilles for C-atomerne. Flowet af C atomer ind i systemet er lige så stor som flowet ud dvs.: filr - eng = (5.4) hvor li 1 r og lig er molflowet af henholdsvis tør røggas og gas. N-balancen lyder: (5.5) (5.6) H-balance: - - 2nl (XH,O)l + lig HNG = lilr (2 xh, + HNG Xua> + 21iv (5.7)

16 DGC-rapport 13 Med (5.4), (5.6) og (5.8) kan alle flow bestemmes relativt til gasflowet. Balancen for iltmolekylerne benyttes som kontrolligning: 11 1 (2(X 0 ) 1 + (Xn. 0 ) 1 ) = nrr (XN 0 + Xco + 2X 0, + 2Xco) + nv (5.9) n,r -. (XNo + Xco + 2Xo, + 2Xco) + - n~g _n~g nv = l (5.10) 5.2 Røggastab Ved beregning af middelvarmefylden for tør røggas ses der bort fra Ar, NOx og uforbrændte kulbrinter. Værdier for middelvarmefylden fra ooc til t, Cpm(t), findes for de øvrige komponenter i /4/. Ud fra disse bestemmes (CpnJtr(t) [kj/k mol t.r.] for den tørre røggas, og røggastabet fra denne pr. mol gas beregnes som: (5.11) Middelvarmefylden for vanddampen, (CpnJv(t) [kj/k mol H 2 0] bestemmes ligeledes ved hjælp af /4/, og røggastabet fra vanddampen beregnes som: (5.12) Derefter kan røggastabet beregnes som procent af den indfyrede effekt:

17 DG C-rapport 14 idet naturgassens nedre brændværdi er 881 kj/mol. I figur 5.1 ses røggastabets målte variation med CO-indholdet. Ved iltoverskud stiger r RT skarpt ,..,. j. ~ l '~ 1'1.. " Q 2 o o CO (tør røggas) [v ol-o/o] Figur 5.1. Røggastabets andel af den indfyrede effekt som funktion af røggassens CO-indhold.

18 DG C-rapport Tab til omgivelserne Kedlens varmetab til omgivelserne stiger med kedeltemperaturen. Ved understøkiometrisk forbrænding falder røggas- og kedeltemperaturen på grund af den uudnyttede energi, og der må derfor tages højde for variationen i overfladetabet, QOT. I l 1/ måltes temperaturerne på samtlige af kedlens flader ved forskellige driftssituationer. Ud fra temperaturerne blev QOT beregnet, og der fandtes god overensstemmelse med målingerne. Den største del af overfladetabet kommer fra kedlens uisolerede frontplade. I figur 5.2 ses den fundne sammenhæng mellem det samlede tab og den målte temperatur øverst på frontpladen. 7,191W/ C*Trp- 203,5W--,..--.J~O -::;; ~... ~ & 0.4 ~--+--~----b-1~~--+---t o Trp [ C] Figur 5.2. Kedlens samlede oveifladetab somfunktion af temperaturen øverst på frontplade n. Kurven indeholder data for indfyrede effekter på både 11 og 20 kw, og det viste lineære udtryk er benyttet til beregning af Oor for de aktuelle målinger. Overfladetabet relativt til den indfyrede effekt er derfor:

19 DGC-rapport 16 7, kw/ C T.!P - 0,203 kw 100 % ( ) pind hvortfper den målte frontpladetemperatur. I de udførte forsøg ligger tabet i intervallet 3,5-4,2% af den indfyrede effekt, som det fremgår af figur ~ 3 =... ~~ 1 --,, g Q Q 1 o o CO (tør røggas) [vol- 0 /o} Figur avetfladetabets andel af den indfyrede effekt som funktion af CO-indholdet. 5.4 Tab på grund af emission af uforbrændte komponenter Uforbrændte bestanddele som CO, kulbrinter eller brint i røggassen repræsenterer en uudnyttet energi og reducerer derfor kedlens virkningsgrad. Tabet beregnes for komponent i ved hjælp af den bestemte molfraktion, Xi [mol/mol t.r.] og den nedre brændværdi, (HJi [kj/ mol] (se tabel 5.1) som: [kj/mol t.r.] (5.15)

20 DG C-rapport 17 Komponent Hn [kj/mol] CO 283 H2 242 NG 881 Tabel 5.1. Nedre brændværdier for uforbrændte komponenter i røggassen. Dermed fås tabet pr. mol gas som: [kj/mol gas] (5.16),i = CO, H 2 og NG (naturgas). Tabet i procent af den indfyrede effekt er: l n/,~ Tus = -(H-)- -. L.." X 1 (H,.) 1 100% n NG ng i (5.17) Tabet har ved målingerne udgjort op ti114% af Pind, se figur Q IQ 8 r lefl! o o c a 0.5 '> g CO (tør røggas) [vol-%] Figur Tabet på grund af emission af uforbrændte komponenter i procent af den indfyrede effekt.

21 DG C-rapport Sammenligning af målt og beregnet virkningsgrad Den fyringstekniske virkningsgrad beregnes som -n = 100% - T - T - T [%] (5.18) 'l RT OT UB 'trt, 'tor, 'tus er de relative røggastab, overfladetab (til omgivelserne) og tab på grund af emission af uforbrændte bestanddele. Denne beregnede virkningsgrad sammenlignes med den målte (afsnit 4.3) i figur Q Målt O Beregnet D UdenPuf o 6. Uden Puf,H a-~ 7 o l l.-j...j...u.ju.l...---l...l...j'-l.i..jlj.ll.---j---l...l..l..iu...u..i-..l..-j'--l...l...l..l..l.l.i CO (tør røggas) [vol- 0 /o] Figur 5.5a. Beregnet og målt fyringsteknisk virkningsgrad som funktion af røggassens CO-indhold (logaritmisk x-akse). Den beregnede virkningsgrad stemmer godt overens med den målte ved lave CO-værdier, men ved stigende CO-indhold er der målt lavere virkningsgrader end beregnet.

22 DG C-rapport n r n D lltij ~ Li...J '- ~ ~ /' l J Q Målt o Beregnet D Uden Puf 6. Uden Puf,H2 ~ D. r\ o l o CO (tør røggas) [vol- 0 /o] 6. o - l" Figur 5.5b. Beregnet og målt fyringsteknisk virkningsgrad som funktion af røggassens CO-indhold (lineær x-akse). I figur 5.5b ses, at virkningsgraden aftager lineært med CO-indholdet. Hældningen for de målte værdier er ( +) 4,4% pr. procent CO. I /11 fandtes, at 17 faldt 4,9% pr. procent CO, hvor CO-indholdet var korrigeret til O% ilt. Denne korrektion er lille, da der er tale om små iltmængder ved forsøgene. Den beregnede virkningsgrad falder 3, 8% pr. procent CO i røggassen. I figur 5.5 er også vist de beregnede virkningsgrader, når der ses bort fra brændværdien af henholdsvis brint ("Uden Pur H 2 ") og alle uforbrændte komponenter ("Uden Pur"). Værdierne, hvor der ikke er taget hensyn til brændværdien af H 2, kan således sammenlignes med forsøgene i /11. Hældningen af denne kurve er(+) 2,1% pr. procent CO. Forskellen mellem den beregnede og målte virkningsgrad er altså reduceret fra ca. 2,3% pr. procent CO til ca. 0,6% pr. procent CO, eller ca. 114 af den tidligere forskel. Det er med andre ord afgørende at medtage brændværdien af røggassens brintindhold ved beregning af virkningsgradens reduktion ved

23 DGC-rapport 20 understøkiometrisk forbrænding. Den maksimale forskel mellem den målte og beregnede værdi (ved 3, l% CO) er 2,2% (relativ forskel: 2,9%). Denne afvigelse ligger inden for den samlede målenøjagtighed for forsøget.

24 DG C-rapport 21 6 Nomenklatur ej Volumenfraktion i tør røggas [m3/m3] C:.pm(t) Middelvarmefylde i intervallet O-t C [kj/mol K] eng Middelantal C-atomer pr. molekyle i naturgas [-] - HNG Middelantal H-atomer pr. molekyle i naturgas [-] 1i Molflow [mol/s] pind Indfyret effekt [kw] p nyt Nyttiggjort effekt [kw] PRT Røggastab [kw] Qot Overfladetab fra kedlen [kw] t luft Forbrændingslufttemperatur [o C] t røg Røggastemperatur [o C] XI Molfraktion i tør røggas [mol/mol] (XI) l Molfraktion i forbrændingsluft [mol/mol] Z; Komressibilitetsfaktor af komponent i [-] TI Fyringsteknisk virkningsgrad [%] >-. Luftoverskudskoefficient [-] T Relativt tab (i forhold til pind ) [%] Indices g l OT RT tr UB UG v Gas (naturgas) Forbrændingsluft Overfladetab Røggastab Tør røggas Uforbrændte bestanddele Uforbrændt gas Vanddamp

25 DG C-rapport 22 7 Il! Referencer Myken, A.N.: Eksperimentel undersøgelse af villakedlers virkningsgrad. Hørsholm: Dansk Gasteknisk Center, 1994 /2/ Myken, A.N. og de Wit, J.: Gaskvalitet I: Gasteknik, nr. 3, juni 1995, s /3/ Jacobsen, L.: GAS-DATA. Hørsholm: Dansk Gasteknisk Center, Physical Properties of Natural Gas. Groningen: N.V. Nederlandse Gasunie, 1988.