Immission. (5) v i =!2/db i *!pdyn i

Transkript

1 1 Methoden zur Bestimmung der Abgasvolumenstromes 1.1 Bestimmung anhand von Kennlinien Nach Ermittlung der Drehzahl und der Druckdifferenz zwischen Ein- und Austritt eines Ventilators kann mit Hilfe der Kennlinien des Ventilators der geförderte Abgasvolumenstrom, bezogen auf den Betriebszustand, ermittelt werden. 1.2 Berechnung aufgrund von Meßdaten Für die Bestimmung des Abgasvolumenstromes R in m 3 /h werden - die Querschnittsfläche A in m 2 und - die Abgasgeschwindigkeit v in m/s am Meßort benötigt. (1) R = A * v * Fläche des durchströmten Querschnitts (2) A = a * b mit a und b in m für die Seiten des Rechtecks (3) A =! * d 2 / 4 mit dem Durchmesser d in m für den Kreis (4) A =! * (U / (2 *!)) 2 mit dem Umfang U des durchströmten Querschnitts in m Geschwindigkeit im durchströmten Querschnitt Nach der Bernoulli-Gleichung gilt für die Strömungsgeschwindigkeit v i in m/s am Meßpunkt i in einer Röhre, bei stationären, reibungsfreien Strömungsverhältnissen: (5) v i =!2/db i *!pdyn i Berechnung der Dichte Zur Berechnung der Dichte des Abgases von Verbrennungsanlagen sind die Temperatur t in o C, der barometrische Luftdruck p bar und die Druckdifferenz Außen-/Innendruck "p stat in hpa, der Volumenanteil an Sauerstoff (O 2 ) und Kohlendioxid (CO 2 ) in Vol% und der Wassergehalt F in kg/m 3 zu messen. Dann berechnet man die - Normdichte d in kg/m 3, in trockenem Zustand (6) d = # (d i * r i ) = #((M i / V i ) * r i ) mit r i als Volumenanteil und d i als Normdichte der Einzelkomponente i in kg/m 3. Hämeel Flue gas 1

2 - die Normdichte d f in kg/m 3, in feuchtem Zustand d + F (7) d f = 1 + (F / d H 2 O ) mit Wassergehalt F in kg/m 3 und der Normdichte des Wassers d H 2 O in kg/m 3. - die Betriebsdichte d b in kg/m 3, in feuchtem Zustand (8) d b = d f * T 0 * ( p bar + "p st ) p 0 * T b mit der Normtemperatur T 0 = 273,2 K, der Betriebstemperatur T b in K, dem Normdruck p 0 = hpa, dem Umgebungsluftdruck p bar in hpa und dem Differenzdruck "p st in hpa Berechnungsbeispiel für die Dichte Gegeben sind die Gaskonzentrationen für Kohlendioxid mit 12 Vol%, Sauerstoff mit 7 Vol%, die Feuchte F mit 60 g/m 3, die Betriebstemperatur des Abgases mit 150 o C, der barometrische Luftdruck p bar mit hpa und der Differenzdruck "p st mit 100 mmws. Soweit weitere Daten benötigt werden, können diese aus dem Formelblatt entnommen werden. Gesucht ist die Dichte d b. - Umrechnung der Meßwerte auf das benötigte Maßsystem: Volumenanteil CO 2 r = 0,12, Volumenanteil O 2 r = 0,07, Volumenanteil Luftstickstoff r = 1,00-0,12-0,07 = 0,81, Feuchte F = 0,06 kg/m 3, "p st = 100 * 0,09807 hpa = 9,807 hpa - Berechnung der Normdichte, trocken d = ((1,977 * 0,1200) + (1,429 * 0,07000) + (1,257 * 0,8100)) kg/m 3 d = (0, , ,018) kg/m 3 d = 1,355 kg/m 3 - Berechnung der Normdichte, feucht d f = ((1, ,06000) / (1 + (0,06000 / 0,8038))) kg/m 3 d f = (1,415 / (1 + 0,07465)) kg/m 3 d f = (1,415 / 1,075) kg/m 3 d f = 1,316 kg/m 3 - Berechnung der Betriebsdichte, feucht d b = 1,316 * ((273,2 * ( ,807)) / (1.013 * (273, ))) kg/m 3 d b = 1,316 * ((273,2 * 1.010) / (1.013 * 423,2)) kg/m 3 d b = 1,316 * (275,9 / 428,7) kg/m 3 d b = 1,316 * 0,6436 kg/m 3 d b = 0,84698 kg/m 3 d b = 0,847 kg/m 3 Hämeel Flue gas 2

3 Praktikum 1 Bestimung des Abgasvolumenstromes anhand von Meßdaten Bestimmung des Gehaltes an CO 2 und O 2 im Rauchgas nach Orsat: Die Gaszusammensetzung wird mittels des Orsat-Gerätes ermittelt. Dazu wird in eine Gasbürette ein Rauchgasvolumen von 100 ml eingesaugt. Dieses Volumen wird durch eine 50 %ige Kalilauge geleitet. Hierbei wird das im Rauchgas befindliche CO 2 absorbiert. Nach dreimaligem Durchführen der Rauchgasprobe durch die Absorptionsflüssigkeit wird das Volumen im Meßgefäß neu ermittelt. Die Differenz zu den vorher 100ml stellt die adsorbierte Menge CO 2 dar. Um sicher zu sein daß das gesamte Kohlendioxid absorbiert wurde, wird die Gasprobe nochmals zweimal durch die Absoptionsflüssigkeit geleitet. Stellt sich nun wieder das gleiche Volumen im Meßzylinder ein, so kann davon ausgegangen werden, das die gesamte CO 2 Menge aus dem Rauchgas absorbiert wurde. Dieser Vorgang wird nun mit der Restprobe und einem Adsorbens für O 2 wiederholt. Hierbei kann aufgrund der schlechteren Absorption ein häufigeres Wiederholen erforderlich werden. Der abgelesene Wert ergibt die Summe aus CO 2 und O 2. Zur Berechnung des Sauerstoffgehaltes wird daher der vorher bestimmte Kohlendioxid-Gehalt vom zweiten Meßwert substrahiert. Bei der Beispielmessung werden 12,0 Vol.% CO 2 und 7,0 Vol.% O 2 ermittelt Bestimmung der Temperatur und der Feuchte Die Bestimmung der Abgastemperatur erfolgt mit einem Thermoelement. Die Bestimmung der Feuchte erfolgt durch Adsorption des Wassers an Calciumchlorid. Hierzu wird eine bestimmte Menge Calciumchlorid in ein beidseitig verschließbares U-Rohr eingewogen. An der Meßstelle wird das U-Rohr mit der einen Seite an die Probenahmesonde und mit der anderen an ein Probenahmegerät angeschlossen. Es wird ein definiertes Volumen Abgas durch das U-Rohr gesaugt. Dieses wird danach sorgfältig verschlossen und zur Temperaturangleichung in den Wägeraum gebracht und anschließend wiederum gewogen. Die Gewichtsdifferenz ergibt die adsorbierte Masse Wasser. Aus dieser Masse und dem bekannten Abgasvolumen wird die absolute Feuchte F in Masse pro Volumen berechnet. In der Beispielsmessung werden eine Abgastemperatur von 150 o C und eine Feuchte von 60 g/m 3 festgestellt Bestimmung des Luftdruckes und des Differenzdruckes Der Luftdruck p bar kann mit ausreichender Genauigkeit mit einem Dosenbarometer ermittelt werden. Der Differenzdruck "p st wird im Rahmen der Bestimmung des dynamischen Druckes mit Staurohr und Mikromanometer (siehe 2.2) bestimmt. Im Beispiel werden "p st = 100 mmws und p bar = hpa gemessen. Hämeel Flue gas 3

4 Bestimung der Drücke p dy n und "p st mit dem Prandt'l Staurohr Prandt'l-Rohre dienen zur Messung des dynamischen und statischen Druckes bei bekannter Strömungsrichtung. Am halbkugelförmigen Kopf des hakenförmigen Staurohres wird an der Bohrung der Gesamtdruck der Strömung gemessen. An den Schlitzen b mit einem Abstand von 2-3 * D vom Staurohrkopf liegt der statische Druck p st an. Verbindet man die zu den Öffnungen d und b gehörenden Stutzen mit einem Differenzdruckmanometer, so läßt sich direkt der dynamische Druck p dyn ablesen und daraus, bei bekannter Dichte, die Geschwindigkeit v am Staurohrkopf berechnen. Die Ausführung zur Abgasgeschwindigkeitsmessung in der Praxis ist in Bild 6.28 dargestellt. aus: Bohl:Technische Strömumgslehre,9.Auflage 1991 Hämeel Flue gas 4

5 Beispiel für die Berechnung der Strömungsgeschwindigkeit Die Daten für die Dichte werden aus dem vorhergehenden Beispiel übernommen. Vereinfachend wird davon ausgegangen, daß die Dichte an allen Meßpunkten gleich ist. Es werden in drei Kreisringen an 6 Meßpunkten Messungen durchgeführt. Vereinfachend werden die Meßwerte am gleichen Kreisring mit dem gleichen Meßergebnis belegt. 1 a,b p dyn = 10 mmws 2 a,b p dyn = 20 mmws 3 a,b p dyn = 30 mmws Gefragt ist nach der mittleren Strömungsgeschwindigkeit v im Meßquerschnitt. - Umrechnung der Meßwerte auf das benötigte Maßsystem 1 a,b p dyn = 10 mmws = 10 * 9,807 Pa = 98,07 Pa 2 a,b p dyn = 20 mmws = 20 * 9,807 Pa = 196,1 Pa 3 a,b p dyn = 30 mmws = 30 * 9,807 Pa = 294,2 Pa - Berechnung der Geschwindigkeiten an den Meßpunkten v 1 = ($ (2 / 0,847) * $ 98,07) m/s v 1 = ($ 2,361 * $ 98,07) m/s v 1 = (1,537 * 9,903) m/s v 1 = 15,22 m/s v 2 = (1,537 * $ 196,1) m/s v 2 = (1,537 * 14,00) m/s v 2 = 21,52 m/s v 3 = (1,537 * $ 294,2) m/s v 3 = (1,537 * 17,15) m/s v 3 = 26,36 m/s - Berechnung der mittleren Geschwindigkeit v = (( v 1 + v 2 + v 3 ) / 3) m/s v = (( 15, , ,36) / 3) m/s v = (63,10 / 3) m/s v = 21,0 m/s Hämeel Flue gas 5

6 Wahl der Meßpunkte Die Festlegung der Meßpunktanzahl und -stellen erfolgt nach der VDI-Richtlinie 2066 Blatt 1, da eine für den Meßquerschnitt repräsentative Auswahl von Meßpunkten getroffen werden muß. Dafür wird zunächst der Innendurchmesser ermittelt. Er beträgt hier 0,50 m. Anhand der VDI-RL wird der Kreisquerschnitt in flächengleiche Teilquerschnitte untergliedert. Jeder Meßpunkt befindet sich im Schwerpunkt einer Teilfläche des Kreisquerschnitts. Da das Abgasrohr an der hier beprobten Anlage vor der Probenahmestelle mehrere Winkel durchläuft, werden hier anstelle von vier Teilflächen sechs gewählt. Die Lage wird mittels der oben genannten VDI Richtlinie ermittelt und wird gemeinsam mit den Meßwerten in Tab.1 dargestellt Bestimmung des dynamischen Druckes Der dynamische Druck wird an den wie vorstehend beschrieben ausgewählten Meßpunkten mit Staurohr und Mikromanometer gemessen. Die Meßergebnisse und Umrechnungen sind in der folgenden Tabelle zusammengestellt. MP Meßpunkt innerer D. Kn-Wert Abstand MP vom p dyn p dyn Wurzel aus 1 nach VDI I! in cm 50 0,04356 Rand in cm 2,2 in mm WS 10 in Pa 98,07 p dyn 9, II! III! , , ,3 14, ,1 294,2 14,00 17, III " II " , , ,2 42, ,2 196,1 17,15 14,00 6 I " 50 0, , ,07 9, Berechnung des Abgasvolumenstromes Aus der in 1.4 berechneten Dichte im Betriebszustand und den sechs Werten für p dyn lassen sich die sechs Geschwindigkeiten an den jeweiligen Meßpunkten berechnen. Dabei wird angenommen, daß die Gaszusammensetzung über den Meßquerschnitt konstant sei. MP Dichte db $ $ v v in kg/m 3 2/d b p dyn in m / s in m / s 1 0,847 1,537 9,903 15, ,847 0,847 1,537 1,537 14,00 17,15 21,52 26,36 21, ,847 0,847 1,537 1,537 17,15 14,00 26,36 21,52 6 0,847 1,537 9,903 15,22 Aus diesen sechs Geschwindigkeiten wird das arithmetische Mittel, hier 21,0 m/s, gebildet. Mit einem Radius r von 17 cm erhält man eine Fläche A = (! * 0,06250) m 2 entsprechend 0,1963 m 2 und daraus ein Volumenstrom R b von 14,9 * 10 3 m 3 /h. Daraus sind durch Korrektur von Druck und Temperatur R f und durch den Abzug des Wassergehaltes R zu berechnen. Hämeel Flue gas 6

7 Hämeel Flue gas 7

8 Hämeel Flue gas 8

9 Verbrennungsrechnung: O min = 1,867*c + 5,6*h + 0,7*s - 0,7*o m 3 /kg Brst O min = 1,867*c + 5,6*h - 0,7*(o - s) m 3 /kg Brst L min = O min *100/21 m 3 /kg Brst L min = 4,76*O min m 3 /kg Brst L min = 8,89*c + 26,65*h - 3,33*(o - s) m 3 /kg Brst L min f = f*l min m 3 /kg Brst L e = $ *L min m 3 /kg Brst O ü = ( $ - 1)*O min m 3 /kg Brst $ = CO 2 max /CO 2 gem V r = (1,867*c + 0,7*s + ( $ - 1)*O min + 0,8*n + 0,79*L e ) m 3 /kg Brst f = 1 + # (p s /(p bar -p s )) P s bei 10 o C 12,20 hpa, bei 20 o C 23,39 hpa P s bei 30 o C 42,45 hpa, bei 40 o C 73,81 hpa p bar äußerer Luftdruck in hpa p s Druck d. Wasserdampf. bei Sättig. in hpa # Sättigungsgrad der Luft mit Wasserdampf Abschätzungen für $ : $ = 21/(21 - O 2 gem ) V r f = (1,867*c + 0,7*s + ( $ - 1)*O min + 0,8*n + 0,79*L e + 11,2*h + 1,244*w + (f-1)*l e ) m 3 /kg Brst V r b = V r f * ((p 0 * T b )/(T 0 *p b )) T 0,T b Norm-/Betriebstemp in K p 0,p b Norm-/Betriebsdruck in hpa R = v r *B R Rauchgasvolumenstrom in m 3 /h B Brennstoffmassenstrom in kg/h Gas Berechnung des Volumenstromes aus Messungen: v i = $2/d bi * $p dyn i Dichte im Normzustand, trocken d = % (r i *d i ) = % (ri*mi/vi) Dichte im Normzustand, feucht d f = (d + F)/(1 + F/d w ) oder d f = (d w *p w )/p 0 + d*(1 - p w /p 0 ) Dichte im Betriebszustand d b = d f * (T 0 *(p bar + " p st ))/(p 0 *T b ) Luft Stickstoff Luftstickstoff Sauerstoff Kohlendioxid Wasserdampf rel.molm. kg/kmol 28,970 28,016 28,159 32,000 44,010 18,016 Molv. m 3 /kmol 22,40 22,40 22,40 22,39 22,26 22,40 v Geschwindigkeit in m/s d b Dichte d. feuchten Gases im Betriebszustand in kg/m 3 p dyn dynamischer Druck in N/m 2 i Meßwert am Meßpunkt i r i Volumenanteil des Gases i M i molare Masse des Gases i V i Molvolumen des Gases i F Masse des in der Luft enthaltenen Wassers in kg/m 3 d w Dichte von Wasserdampf in kg/m 3 p w Partialdruck des Wasserdampfes in hpa p 0 Luftdruck im Normzustand 1013 hpa " p st statischer Druck im Abgaskanal in hpa p bar barometrischer Luftdruck in hpa T 0 Temperatur im Normzustand 273,2 K T b Temperatur im Betriebszustand in K Dichte d kg/m 3 1,2931 1,2505 1,2571 1,4290 1,9770 0, bar = 0,1 MPa = 0,1 MN/m 2 1 mbar = 1 hpa 1 mmws = 0,09807 mbar 1 J = 1 N*m = 1 W*s 1 kcal = 4,1868 kj B = (FWL*3600)/Hu Hämeel Flue gas 9

10 1.3 Bestimmung des Abgasvolumenstromes mit Hilfe der Verbrennungsrechnung Begriffsbestimmungen - Brennstoff: Ein Stoff, der in Verbindung mit Sauerstoff wirtschaftlich Energie in Form von Wärme frei setzt. - Verbrennungsvorgang: Ein Stoff wird auf Entzündungstemperatur gebracht, verbindet sich unter Flamm- und Glutbildung mit dem Luftsauerstoff und geht in gasförmige Verbindungen und nicht brennbare Rückstände über. - Verbrennung: Oxidation unter Wärmeabgabe. Skizze 1: Teilvorgänge bei der Verbrennung L u f t, C < T < C B r e n n s t o f f Ab ga s C M i s c h e n Z ü n d e n V e r b r e n n e n W ä r m e n u t z u n g Teilvorgänge bei der Verbrennung Mischung von Brennstoff und Oxidationsmittel Die Mischung beider Ströme soll möglichst vollkommen sein. Zur vollständigen Oxidation müssen stöchiometrische Verhältnisse der Reaktionspartner ( hier Luft und Brennstoff) vorliegen Erwärmung der Reaktionspartner auf Zündtemperatur Orientierendes Maß für die zur Reaktion notwendigen Aktivierungsenergie ist die Zündtemperatur. Beim Starten einer Verbrennung wird den Reaktionspartnern die Zündenergie von Aussen mittels einer Hilfsflamme zugeführt Verbrennungsreaktion und Wärmeentwicklung Als Flamme bezeichnet man den Teil eines Stoffstromes aus Brennstoff, Oxidationsmittel und Abgas, in dem Verbrennungsreaktionen stattfinden. Man versucht, dieses Reaktionsfeld räumlich abzugrenzen. Die Wärmeabgabe der Flamme bzw. des Abgasstromes an das Wärmgut, die Feuerraumwände und die Umgebung beeinflußt das Temperatur- und Strömungsfeld im Feuerraum und damit die anderen Vorgänge Hämeel Flue gas 10

11 Wärmeabgabe an die Umgebung Fast alle Feuerungen sind Wärmetauscher. Sie unterscheiden sich von den üblichen Wärmetauschern ohne Reaktion dadurch, daß daß die wärmeabgebende Substanz die Wärme in der Feuerung selbst freisetzt. - Wärmetauscher ohne Feuerung: Der Temperaturverlauf des wärmeabgebenden Mediums wird durch die Wärmeabgabe an die aufzuheizende Substanz (Wärmgut) bestimmt. --> Die Temperatur der wärmeabgebenden Substanz fällt. - Wärmetauscher mit Feuerung: Die Temperatur der wärmeabgebenden Substanz wird durch die Wärmeentwicklung aus der Verbrennung und durch die Wärmeabgabe an das Wärmgut bestimmt. --> Die Temperatur kann über die Anlagenlänge sowohl steigen wie auch fallen Einteilung der Brennstoffe: - nach Herkunft: natürliche, fossile und künstliche - nach Aggregatzustand: feste, flüssige und gasförmige Tabelle 1: Übersicht über die interessierenden Brennstoffe Aggregatzustand Vorkommen Herkunft natürlich künstlich gasförmig Erdgas Hochofengas, Kokereigas Prozeßgase flüssig Erdöl Erdöldestillate (Heizöl EL, flüssige Abprodukte Heizöl S) fest Holz,Torf, Stückige Schwelkoks, Zechenkoks, feste Abfälle, Rückstände Kohle (d>50 mm) Gaskoks, Briketts Bei der Verbrennung der einzelnen Brennstoffe entstehen in der Regel folgende Stoffe: Erdgas: CO 2, H 2 O, NO x, (SO x ) Heizöl EL: Heizöl S: CO 2, H 2 O, NO x, SO x, HCl, Staub mit u.a. metallischen Inhaltsstoffen CO 2, H 2 O, NO x, SO x, HCl, Staub mit u.a. metallischen Inhaltsstoffen stückige Kohle: CO 2, H 2 O, NO x, SO x, HCl, Staub mit u.a. metallischen Inhaltsstoffen Hämeel Flue gas 11

12 1.3.3 Verbrennungsrechnung Grundlagen zum Luftbedarf Zusammensetzung der Luft (überschlägig): Sauerstoff: 21 Vol. % "Luftstickstoff": 79 Vol.% "Luftstickstoff" bestehend aus den, im Sinne der Verbrennung, Inertgasen Stickstoff, Kohlendioxid und den Edelgasen. Bei der Verbrennung von Kohlenstoff findet folgende Reaktion statt: Kohlenstoff: C + O 2 -> CO 2 1 kmol C + 1 kmol O 2 -> 1 kmol CO 2 12 kg C + 32 kg O 2 -> 44 kg CO 2 1 kg C + 32/12 kg O 2 -> 44/12 kg CO 2 1 kg C + 2,667 kg O 2 -> 3,667 kg CO 2 12 kg C + 22,4 m 3 O 2 -> 22,4 m 3 CO 2 1 kg C + 1,867 m 3 O 2 -> 1,867 m 3 CO 2 Wasserstoff: 2 H 2 + O 2 -> H 2 O 4 kg H kg O 2 -> 36 kg H 2 O 1 kg H kg O 2 -> 9 kg H 2 O 4 kg H ,4 m 3 O 2 -> 44,8 m 3 H 2 O 1 kg H 2 + 5,6 m 3 O 2 -> 11,2 m 3 H 2 O Schwefel: S + O 2 -> SO 2 32 kg S + 32 kg O 2 -> 64 kg SO 2 1 kg S + 1 kg O 2 -> 2 kg SO 2 32 kg S + 22,4 m 3 O 2 -> 22,4 m 3 SO 2 1 kg S + 0,7 m 3 O 2 -> 0,7 m 3 SO 2 Hämeel Flue gas 12

13 Methan: CH O 2 -> CO H 2 O 16 kg CH kg O 2 -> 44 kg CO kg H 2 O 16 kg CH ,8 m 3 O 2 -> 22,4 m 3 CO ,8 m 3 H 2 O 1 kg CH 4 + 2,8 m 3 O 2 -> 1,4 m 3 CO 2 + 2,8 m 3 H 2 O Allgemein gilt für reine Kohlenwasserstoffe: C m H n + (m + n/4) O 2 -> m* CO 2 + n/2 H 2 O Mit Hilfe der oben genannten Formel und des Luftsauerstoffgehaltes läßt sich der minimale, stöchiometrisch erforderliche spezifische Luftbedarf L min ermitteln. In der Praxis reicht aufgrund nicht idealer Mischung zwischen Brennstoff und Verbrennungsluft und kurzer Verweilzeiten bei erforderlicher Temperatur die Mindestluftmenge L min nicht aus eine vollständige- Verbrennung zu gewährleisten. Daher muß mehr Sauerstoff zur Verfügung gestellt werden als rein stöchiometrisch benötigt. Verbrennungsprozeße werden überstöchiometrisch gefahren. Die dann zugeführte Luftmenge heißt effektive oder tatsächlich zugeführte Luftmenge L e Luftverhältniszahl $ $ = L e / L min Tabelle 2: Luftverhältniszahlen für verschiedene Feuerungen mit unterschiedlichen Brennstoffen Gasfeuerung 1,02 bis 1,2 Ölfeuerung 1,05 bis 1,4 Kohlenfeuerung 1,3 bis 2 Gasturbine 4 bis 5 Bei einer Heizanlage ist man bestrebt die Luftmenge zur Verbrennung des Brennstoffes so niedrig wie möglich zu halten, um somit die Wärmeverluste möglichst gering zu halten ( vorgegebene Brennstoffmenge; möglichst geringe Luftmenge). Bei der Gasturbine ist eine Luftmenge mit möglichst wenig Brennstoff auf eine vorgegebene, maximal zulässige Temperatur zu erwärmen ( vorgegebene Luftmenge; möglichst wenig Brennstoff). Hämeel Flue gas 13

14 Spezifischer Mindestsauerstoffbedarf Im folgenden wird das Elementsymbol dargestellt als Kleinbuchstabe für den Massenanteil des jeweiligen Elementes im Brennstoff benutzt. - Für Kohlenstoff: 22,4 m * c = 1,867 * c m 3 /kg Brst 12 kg - Für Wasserstoff: 22,4 m * h = 5,6 * h m 3 /kg Brst 4 kg - Für Schwefel: 22,4 m * s = 0,7 * s m 3 /kg Brst 32 kg - Für Sauerstoff: 32 kg O2 = 22,4 m 3 O 2 22,4 m * o = - 0,7 * o m 3 /kg Brst 32 kg Mindestsauerstoffbedarf für die Verbrennung von 1 kg Brennstoff: O min = 1,867 * c + 5,6 * h + 0,7 * s - 0,7 * o [m 3 /kg Brst ] Spezifischer Mindestluftbedarf Aufgrund des festen Sauerstoffanteils der Luft von 21 Vol % L min = 4,76 * O min [m 3 /kg Brst ] Hämeel Flue gas 14

15 Beispielrechnung gegeben Brennstoff: 84,0 Gew. % C 15,0 Gew. % H 0,5 Gew. % S 0,5 Gew. % O gesucht: L min =? O min = 1,867 * c + 5,6 * h + 0,7 * s - 0,7 * o O min = ((1,867 * 0,8400) + (5,6 * 0,1500) + (0,7 * 0,005000) - (0,7 * 0,005000)) m 3 /kg Brst O min = (1, , , ,003500) m 3 /kg Brst O min = 2,408 m 3 /kg Brst L min = 4,76 * 2,408 m 3 /kg Brst L min = 11,46 m 3 /kg Brst L min = 11,5 m 3 /kg Brst Spezifischer Mindestluftbedarf (feucht) In der Verbrennungsluft ist fast immer Wasserdampf vorhanden. Der Mindestbedarf an feuchter Luft Lminf wird auch als " theoretische Verbrennungsluftmenge, feucht " bezeichnet. Zur Berücksichtigung des Wasserdampfgehaltes in der Luft wird der Korrekturfaktor f eingeführt. L min f = f * L min f = 1 + # * p s (p bar - p s ) mit p bar = Luftdruck in hpa p s = Sättigungsdruck des Wasserdampfes in hpa # = Wasserdampfsättigungsgrad der Außenluft, im allgemeinen zwischen 0,6 und 0,8 Dieser Korrekturfaktor wird zur Bestimmung des minimal erforderlichen feuchten Luftbedarfes benötigt. Hämeel Flue gas 15

16 Tabelle 3: Sättigungsdampfdruck der Luft in Abhängigkeit von der Temperatur Temperatur in o C Beispiel: Berechnung des Korrekturfaktors f für verschiedene Temperaturen bei einem p bar von 1013 hpa Sättigungsdruck p s in hpa 12,20 23,39 42, ,81 Rechnung: für T = 10 C : f = 1 + 0,8000 * 12,20 / ( ,20) = 1 + 9,76 / 1001 = 1 + 0, f = 1,01 (1,0098) für T = 20 C f = 1 + 0,8000 * 23,39 / ( ,39) = ,71 / 989,6 = 1 + 0,01891 f = 1,019 für T = 30 C : f = 1 + 0,8000 * 42,45 / ( ,45) = ,96 / 970,6 = 1 + 0,03499 f = 1,035 für T = 40 C f = 1 + 0,8000 * 73,81 / ( ,81) = ,05 / 939,2 = 1 + 0,06287 f = 1,063 Hämeel Flue gas 16

17 Berechnung von Rauchgasvolumen und Rauchgaszusammensetzung fester und flüssiger Brennstoffe Für die vereinfachte Verbrennungsrechnung zur Berechnung des Rauchgasvolumens für die Bestimmung von Schornsteindurchmesser und Schornsteinhöhe wird folgendes angenommen: Aus den Gehalten des Brennstoffes an Kohlenstoff (C), Wasserstoff (H) und Schwefel (S) entstehen bei der Verbrennung mit Luft die Verbrenungsgase Kohlendioxid (CO 2 ), Wasser (H 2 O) und Schwefeldioxid (SO 2 ). Das Wasser des Brennstoffes wird verdampft, im Brennstoff enthaltener Sauerstoff braucht nicht über die Verbrennungsluft zugeführt werden und der enthaltene Stickstoff wird als N 2 in das Rauchgas überführt. Das Wasser der Verbrennungsluft und die unter "Luftstickstoff" zusammengefaßten nicht reagierenden Luftbestandteile finden sich unverändert im Rauchgas wieder. Aus dem Brennstoff entstehen bei der Verbrennung folgende spezifische Abgasvolumina: aus 1 kg C ---> 1,867 m3 CO 2 aus 1 kg H ---> 11,2 m3 H 2 O aus 1 kg S ---> 0,7 m3 SO 2 Bei einer Luftverhältniszahl $ > 1 kommt der überschüssige Sauerstoff Oü hinzu: O ü = $ * O min - O min = ( $ -1) * O min Weiter kommen noch hinzu der -Stickstoffanteil der Verbrennungsluft N 2 = 0,79 * Le -der im Brennstoff enthaltene Stickstoff N 2 Brst = (22,4 / 28 * n)) m 3 /kg Brst = (0,8 * n) m 3 /kg Brst -das im Brennstoff enthaltene Wasser H 2 O Brst = (22,4/18 * w )) m 3 /kg Brst = (1,244 * w) m 3 /kg Brst -und das in der Luft enthaltene Wasser (Luftfeuchtigkeit) H 2 O Luft = f * L e - L e = (f-1) * L e Daraus ergibt sich für das spezifische trockene Rauchgasvolumen folgende Beziehung: V r = 1,867 * c + 0,7 * s + ( $ -1) * O min + 0,8 * n + 0,79 * L e Hämeel Flue gas 17

18 Für das feuchte Rauchgas ergibt sich : V r f = 1,867 * c + 0,7 * s + ( $ - 1) * O min + 0,8 * n + 0,79 * L e + 11,2 * h + 1,244 * w + (f - 1) *L e V r f = V r + 11,2 * h + 1,244 * w + (f - 1) * L e Anmerkung: Für $ = 1 wird L e = L min, daraus ergibt sich V r min Beispiel 1: Flüssiger Brennstoff mit der Zusammensetzung C = 80 Gew.%, H = 18 Gew.%, O = 1 Gew.% und S = 1 Gew.% Verbrennungsluft mit Temperatur = 20 o C, relative Feuchte = 80 % und Luftdruck = 1013 hpa Luftverhältnis $ = 1,20 gesucht sind V r =? und V r f =? Lösung: 1 Bestimmung des minimalen spezifischen Sauerstoffbedarfes: O min = (1,867 * 0, ,6 * 0, ,7 * 0, ,7 * 0,01000) m 3 /kg Brst O min = (1, , , ,007000) m 3 /kg Brst O min = 2,502 m 3 /kg Brst 2 Bestimmung des minimalen spezifische Luftbedarfes L min = 4,76 * O min = 11,91 m 3 /kg Brst 3 Bestimmung der effektiv zugeführten Luft L e = $ * L min L e = (1,20 * 11,91) m 3 /kg Brst L e = 14,29 m 3 /kg Brst 4 Bestimmung des Korrekturfaktors f zur Berücksichtigung des Wassergehaltes in der Verbrennungsluft f = 1 + 0,8000 * (23,39 / ( ,39)) f = 1,019 5 Bestimmung des spezifischen Rauchgasvolumens, trocken V r = (1,867 * 0, ,7 * 0, ,2000 * 2, ,8 * 0, ,79 * 14,29) m 3 /kg Brst V r = (1, , , ,29) m 3 /kg Brst V r = 13,29 m 3 /kg Brst Hämeel Flue gas 18

19 6 Bestimmung des spezifischen Rauchgasvolumens, feucht: V r f = V r + (11,2 * 0, ,244 * 0 + (1,019-1) * 14,29) m 3 /kg Brst V r f = (13,29 + 2, ,2715) m 3 /kg Brst V r f = 15,58 m 3 /kg Brst Beispiel 2: Fester Brennstoff mit folgender Zusammensetzung Asche = 3 Gew. %, H 2 O = 5 Gew. %, sowie, bezogen auf die wasser- und aschefreie Substanz, C = 86 Gew. %, H = 10 Gew %, S = 4 Gew. % und unterem Heizwert H u = 35 MJ/kg Heizungsanlage mit einer Feuerungswärmeleistung FWL = 50 MW Verbrennungsluft T = 20 C, rel. Feuchte = 80% und barometrischer Druck p bar = 1013 hpa Bezugssauerstoff für die Feuerung = 6 Vol % O 2, Abgastemperatur 200 o C Gesucht sind R =?, R f =?, R b =? und CO 2 -Gehalt =? Lösung: 1 Brennstoffdaten auf Originalsubstanz (eingesetzter fester Brst.) umrechnen : Korrekturfaktor k : k = 1 - w - a = 1-0, ,05000 = 0,9200 Daraus folgt für die Zusammensetzung des Brennstoffes, wie er in der Feuerungsanlage eingesetzt wird: Bestandteil Einsatz Faktor Einsatz Asche 3 Gew% 1 0,03000 a Wasser 5 Gew% 1 0,05000 w waf C 86 Gew% 0,9200 0,7912 c H 10 Gew% 0,9200 0,09200 h S 4 Gew% 0,9200 0,03680 s unterer Heizwert H u 35 MJ/kg 0, ,20 MJ/kg 2 Bestimmung des benötigten Brennstoffmassenstromes: H u = 35 * 0,9200 * 106 Ws/kg FWL = 50 MW = 50*10 6 W B = ((50 * 10 6 ) / (32,20 * 10 6 )) kg/s = 1,553 kg/s = 5,591 Mg/h Hämeel Flue gas 19

20 3 Bestimmung von O min : O min = (1,867 * 0, ,7 * 0, ,6 * 0,09200) m 3 /kg Brst = (1, , ,5152) m 3 /kg Brst = 2,018 m 3 /kg Brst 4 Bestimmunmg von L min : L min = 4,76 * 2,018 m 3 /kg Brst = 9,606 m 3 /kg Brst 5 Bestimmung von $ : $ = 21 / ( 21-6,000) = 21/15 = 1,400 6 Bestimmunmg von L e : L e = $ * L min = 1,400 * 9,606 m 3 /kg Brst = 13,45 m 3 /kg Brst 7 Bestimmung des Korrekturfaktors f : f = 1 + # & (p s / (p bar - p s )) = 1 + 0,8000 * (23,39 / ( ,39)) = 1,019 8 Bestimmung des spezifischen Rauchgasvolumens: V r = (1,867 * 0, ,7 * 0, (1,4-1) * 2, ,8 * ,79 * 13,45) m 3 /kg Brst = (1, , , ,63) m 3 /kg Brst = 12,94 m 3 /kg Brst 9 Bestimmung des spezifischen Rauchgasvolumens, feucht V r f = (12, ,2*0, ,244*0, (1,019-1)*13,45) m 3 /kg Brst = (12,94 + 1, , ,2556) m 3 /kg Brst = 14,29 m 3 /kg Brst Hämeel Flue gas 20

21 10 Bestimmung des Rauchgasvolumenstromes: R = V r * B = 12,94 m 3 /kg Brst * 5,591 * 10 3 kg/h = 72,35 * 10 3 m 3 /h = 72,4 * 10 3 m 3 /h 11 Bestimmung des Rauchgasvolumenstromes, feucht: R f = 14,29 m 3 /kg Brst * 5,591 * 10 3 kg/h = 79,9 * 10 3 m 3 /h = 79,9 * 10 3 m 3 /h 12 Bestimmung des Rauchgasvolumenstromes, feucht, Betriebszustand: R b = 79,9 * ((1013 * 473,2) / ( 273,2 * 1013)) * 10 3 m 3 /h = 79,9 * (473,2 / 273,2) * 10 3 m 3 /h = 79,9 * 1,732 * 10 3 m 3 /h = 138,4 * 10 3 m 3 /h = 138 * 10 3 m 3 /h 13 Bestimmung des spezifischen Volumens von CO 2 im Rauchgas: V CO 2 = 1,867 * c = 1,867 * 0,7912 = 1,477 m 3 /kg Brst 14 Bestimmung des Volumenanteils von CO2 im Rauchgas: c CO 2 = (1,477 / 12,94) = 0,1141 = 0,114 entsprechend einem Gehalt an CO 2 im Rauchgas von 11,4 Vol% Hämeel Flue gas 21

22 2 Bestimmung der Emission eines Stoffes Die Emission, genauer der Emissionsmassenstrom eines Stoffes, kann über - die analytische Bestimmung der Konzentration und die parallele Bestimmung des Volumenstromes oder - die Berechnung aus dem Gehalt dieses Stoffes bzw. seines Vorläufers im Einsatzstoff, und dem Massenstrom des Einsatzstoffes ermittelt werden. Als Beispiel dient im folgenden der frühere Kohlekessel zur Heizung und Warmwasserversorgung des Standortes Höxter der FH Lippe + Höxter im Winterbetrieb. Der Kessel verfügte über eine Feuerungswärmeleistung von 1,39 MW und wurde mit heimischer Steinkohle befeuert. 2.1 Bestimmung der Emission von Schwefeldioxid über Konzentrations- und Volumenstrommessung Die Bestimmung der Konzentration an Schwefeldioxid erfolgt nach VDI 2462 Blatt 8. Die bestimmung des Volumenstromes nach VDI 2066, Blatt 1 bzw VDI Bestimmung der Konzentration an Schwefeldioxid Die meßtechnische Bestimmung erfolgt aus einem repäsentativen Teilvolumen über anreichernde Probenahme in einer Reaktionsflüssigkeit mit anschließender maßanalytischer Bestimmung der Stoffmasse Probenahme Ein repräsentativer Teilstrom des Rauchgases wird 30 min mit einem Volumenstrom von ca. 2 l/min durch zwei Waschflaschen mit je 40 ml Absorptionslösung geleitet. Die Absorptionslösung besteht aus wäßriger H 2 O 2 -Lösung mit einer Konzentration an H 2 O 2 von 3 Gew%. Das Wasserstoffperoxid oxidiert das im Abgas enthaltene Schwefeldioxid zum Sulfation: SO H 2 O > (SO 4 ) H 2 O Analytische Bestimmung: Mit Natronlauge (c=0,1 mol/l in Wasser) bzw. Perchlorsäure (c=0,1 mol/l) wird die Lösung auf ph 4,6 eingestellt, und darauf mit Wasser auf 80 ml aufgefüllt. Es wird ein Aliquot von 10 ml (abweichend von der VDI 2462 in der 20 ml angegeben wurden) in das Titrationsgefäß überführt. Nach der Zugabe von 40 ml 2-Propanol zur Verringerung des Löslichkeitsproduktes von Bariumsulfat und von 2 Tropfen Thorin, als Farbindikator für überschüssiges Ba 2+, wird gegen eine Bariumperchloratlösung bis zum Umschlag von orangegelb nach hellrosa titriert (Fällungstitration). Hämeel Flue gas 22

23 Der Farbumschlag ist mit dem Auge schlecht zu erkennen. Es wird daher ein Lichtleiterphotometer mit einer Wellenlänge von $ = 490 nm zur Bestimmung des Titrationsendpunktes eingesetzt. Bei der Titration finden folgendene Reaktionen statt: SO Ba > BaSO4 Die im Beispiel erhaltenen Verbräuche sind in Tabelle 2 zusammengestellt Berechnung der Konzentration an Schwefeldioxid: Für die Fällungstitration läßt sich folgende Kalibrierfunktion herleiten: mit: y = (1/k) * x y als Verbrauch Bariumperchloratlösung in ml x Masse SO 2 in mg k Kalibrierfaktor in mg/ml Der Wert für k ergibt sich aus folgendem Sachverhalt: 1 mol Ba 2+ verbraucht 1 mol SO 2 1 l Ba 2+ -Lsg. 1 mol/l entspricht ca. 64 g SO 2 1 ml Ba 2+ -Lsg. 1 mol/l entspricht ca. 64 mg SO 2 1 ml Ba 2+ -Lsg. 0,001 mol/l entspricht ca. 64 %g SO 2 1 ml Ba 2+ -Lsg. 0,005 mol/l entspricht 320,33 %g SO 2 k = 0,32033 mg/ml Durch Umstellung der Kalibrierfunktion läßt sich daraus der Gehalt an SO2 in mg errechnen: x = k * y Tab. Bezeichnung der Verbrauch Verbrauch Bezugs- Masse Masse 2 Probe 1 a BaClO 4 in ml 11,337 - Blindwert in ml 11,154 faktor 8 SO 2 in mg SO 2 in mg 28,58 1 b 0,270 0, , ,80 2 a 12,891 12, ,57 2 b 0,254 0, , ,75 3 a 9,989 9, ,13 3 b Blindwert 0,293 0,183 0, , ,41 Hämeel Flue gas 23

24 Der Schwefeldioxidgehalt im Rauchgas zum Zeitpunkt der Probenahme wird über den Mittelwert der Einzelproben berechnet. Hierzu sind zuerst die entnommenen Teilvolumina zu berechnen und auf Normbedingungen umzurechnen. Abgasvolumen im Normzustand: Beispiel V = V b tr * ((T o * p mes ) / (p o * T mes )) V = (28,0 * ((273,2 * 1010) / (1013 * 297,2 ))) l V = (28,0 * (275,9 / 301,1) l V = (28,0 * 0,9163) l V = 25,66 l In einem zweiten Rechenschritt wird die ermittelte Masse an SO 2 auf das zugehörige Teilvolumen bezogen Tab. Ablesung Ablesung Teil- Temp. Temp. Druck Teil- Masse Konzentr. 3 Probe Ende m 3 b tr 1 21, , ,6641 Anfang m 3 b tr volumen l b tr 21, ,0 21, ,2 21, ,9 Tmes o C Tmes K pmes hpa volumen 24,0 297, ,66 25,1 298, ,66 25,3 298, ,55 l SO 2 mg 28,80 32,75 25,41 Mittelwert: SO 2 g/m 3 1,122 1,228 1,035 1, Bestimmung des Abgasvolumenstromes Der Abgasquerschnitt an der Meßstelle beträgt 34 cm. Als Abgastemperatur werden 200 o C und als Wassergehalt des Abgases werden 60 g/m 3 gemessen. Der barometrische Luftdruckwird p bar mit hpa und der Differenzdruck "p st mit -30 mmws ermittelt. Als Kohlendioxidgehalt werden 11,8 Vol% und als Sauerstoffgehalt 7,4 Vol% gemessen. Volumenanteil CO 2 r = 0,118, Volumenanteil O 2 r = 0,074, Volumenanteil Luftstickstoff r = 1,00-0,118-0,074 = 0,808, Feuchte F = 0,06 kg/m 3, "p st = -30 * 0,09807 hpa = -2,942 hpa Hämeel Flue gas 24

25 Berechnung der Dichte des Abgases am Meßquerschnitt - Berechnung der Normdichte, trocken d = ((1,977 * 0,118) + (1,429 * 0,074) + (1,257 * 0,808)) kg/m 3 d = (0, , ,016) kg/m 3 d = 1,355 kg/m 3 - Berechnung der Normdichte, feucht d f = ((1, ,06000) / (1 + (0,06000 / 0,8038))) kg/m 3 d f = (1,415 / (1 + 0,07465)) kg/m 3 d f = (1,415 / 1,075) kg/m 3 d f = 1,316 kg/m 3 - Berechnung der Betriebsdichte, feucht d b = 1,316 * ((273,2 * ( ,942)) / ((273, ) * 1.013)) kg/m 3 d b = 1,316 * ((273,2 * 1.007) / (473,2 * 1013)) kg/m 3 d b = 1,316 * (275,1 / 479,4) kg/m 3 d b = 1,316 * 0,5738 kg/m 3 d b = 0,7551 kg/m 3 d b = 0,755 kg/m 3 Bestimmung des dynamischen Druckes am Meßquerschnitt Die dynamischen Drücke werden in drei Kreisringen, entsprechend 6 Meßpunkten bestimmt. 1 p dyn = 4,90 mmws = 4,90 * 9,807 Pa = 48,05 Pa 2 p dyn = 5,23 mmws = 5,23 * 9,807 Pa = 51,29 Pa 3 p dyn = 5,45 mmws = 5,45 * 9,807 Pa = 53,45 Pa 4 p dyn = 5,70 mmws = 5,70 * 9,807 Pa = 55,90 Pa 5 p dyn = 6,06 mmws = 6,06 * 9,807 Pa = 59,43 Pa 6 p dyn = 6,21 mmws = 6,21 * 9,807 Pa = 60,90 Pa MP Meßpunkt innerer D. K n -Wert Abstand MP vom p dyn p dyn Wurzel aus 1 nach VDI I! in cm 34 0,04356 Rand in cm 1,5 in mm WS 4,90 in Pa 48,05 p dyn 6, II! III! , , ,0 10,1 5,23 5,45 51,29 53,45 7,162 7, III " II " , , ,9 29,0 5,70 6,06 55,90 59,43 7,477 7,709 6 I " 34 0, ,5 6,21 60,90 7,804 Hämeel Flue gas 25

26 Berechnung der Geschwindigkeiten an den Meßpunkten im Meßquerschnitt v 1 = ($ (2 / 0,7551) * $ 48,05) m/s v 1 = ($ 2,649 * $ 48,05) m/s v 1 = (1,627 * 6,932) m/s v 1 = 11,25 m/s Die weiteren Geschwindigkeiten sind in der Tabelle zusammengestellt MP Dichte d b 2/d b $ $ v v in kg/m 3 2/d b p dyn in m / s in m / s 1 0,7551 2,649 1,628 6,932 11, ,7551 0,7551 0,7551 0,7551 2,649 2,649 2,649 2,649 1,628 1,628 1,628 1,628 7,162 7,311 7,477 7, ,7551 2,649 1,628 7,804 12,70 11,66 11,90 12,05 12,17 12,55 Mit einem Radius r von 17 cm erhält man eine Fläche A = (! * 0,02890) m 2 entsprechend 0,09079 m 2 und daraus ein Volumenstrom Rb von 3,938 * 10 3 m 3 /h. Daraus sind durch Korrektur von Druck und Temperatur R f und durch den Abzug des Wassergehaltes R zu berechnen. (Hausaufgabe) Hämeel Flue gas 26

27 2.2 Berechnung der Anlagendaten auf Basis der Kohlenanalyse und des gemessenen Sauerstoffgehaltes von 7,4 Vol%, entsprechend einem $ von 1, Brennstoffdaten auf Originalsubstanz (eingesetzter fester Brst.) umrechnen : Korrekturfaktor k : k = 1 - w - a = 1-0, ,03850 = 0,9215 Angebot über Steinkohle für die Abteilung Höxter Parameter Dim Wert von Rohkohle Wert bis Rohkohle Mittelwert Rohkohle Wert wasserfrei Wasser Asche Schwefel Wasserstoff Kohlenstoff Sauerstoff Stickstoff Chlor Summe Hu Hu Gew-% 3,5 Gew-% 3,4 Gew-% Gew-% Gew-% Gew-% Gew-% Gew-% Gew-% Gew-% MJ/kg kcal/kg 4,5 4,00 4,3 3,85 Daraus folgt für die Zusammensetzung des Brennstoffes, wie er in der Feuerungsanlage eingesetzt wird: Bestandteil Einsatz Faktor Einsatz Wasser 4,0 Gew% 1 0,04000 w Asche 3,85 Gew% 1 0,03850 a waf C 91,6 Gew% 0,9215 0,8441 c H 3,8 Gew% 0,9215 0,03502 h O 2,2 Gew% 0,9215 0,02027 h N 1,5 Gew% 0,9215 0,01382 h S 0,98 Gew% 0,9215 0, s Cl 0,04 Gew% 0,9215 0,03686 Gew% unterer Heizwert H u 35,00 MJ/kg 0, ,25 MJ/kg 2 Bestimmung des benötigten Brennstoffmassenstromes: H u = 32,25 * 10 6 Ws/kg FWL = 1,39 MW = 1,39*10 6 W Wert waf 0,98 3,8 91,6 2,2 1,5 0,04 100,12 35, Wasserfrei und waf berechnet aus Analysendaten Rohkohle B = ((1,39 * 10 6 ) / (32,25 * 10 6 )) kg/s = 0,04310 kg/s = 0,1552 Mg/h Hämeel Flue gas 27

28 3 Bestimmung von O min : O min = (1,867 * 0, ,6 * 0, ,7 * (0, ,009031)) m 3 /kg Brst = (1, ,1961-0,7 * 0,01124) m 3 /kg Brst = (1, ,1961-0,007868) m 3 /kg Brst = 1,764 m 3 /kg Brst 4 Bestimmunmg von L min : L min = 4,76 * 1,764 m 3 /kg Brst = 8,397 m 3 /kg Brst 5 Bestimmunmg von L e : L e = $ * L min = 1,544 * 8,397 m 3 /kg Brst = 12,96 m 3 /kg Brst 7 Bestimmung des Korrekturfaktors f : f = 1 + # * (p s / (p bar - p s )) = 1 + 0,8000 * (23,39 / ( ,39)) = 1,019 8 Bestimmung des spezifischen Rauchgasvolumens: V r = (1,867 * 0, ,7 * 0, (1,544-1) * 1, ,8 * 0, ,79 * 12,96) m 3 /kg Brst = (1, , , , ,24) m 3 /kg Brst = 12,79 m 3 /kg Brst 9 Bestimmung des spezifischen Rauchgasvolumens, feucht V r f = (12, ,2 * 0, ,244 * 0, (1,019-1) * 12,96) m 3 /kg Brst = (12,79 + 0, , ,2462) m 3 /kg Brst = 13,48 m 3 /kg Brst Hämeel Flue gas 28

29 10 Bestimmung des Rauchgasvolumenstromes: R = V r * B = 12,79 m 3 /kg Brst * 0,1552 * 10 3 kg/h = 1,985 * 10 3 m 3 /h = 1,99 * 10 3 m 3 /h 11 Bestimmung des Rauchgasvolumenstromes, feucht: R f = 13,48 m 3 /kg Brst * 0,1552 * 10 3 kg/h = 2,092 * 10 3 m 3 /h = 2,09 * 10 3 m 3 /h 12 Bestimmung des Rauchgasvolumenstromes, feucht, Betriebszustand: R b = 2,092 * ((1013 * 473,2) / ( 273,2 * 1010)) * 10 3 m 3 /h = 2,092* (473,2 / 273,2) * 10 3 m 3 /h = 2,092 * 1,732 * 10 3 m 3 /h = 3,623 * 10 3 m 3 /h = 3,62 * 10 3 m 3 /h 13 Bestimmung des spezifischen Volumens von CO 2 im Rauchgas: V CO 2 = 1,867 * c = 1,867 * 0,8441 = 1,576 m 3 /kg Brst 14 Bestimmung des Volumenanteils von CO 2 im Rauchgas: c CO 2 = (1,576 / 12,79) = 0,1232 = 0,123 entsprechend einem Gehalt an CO 2 im Rauchgas von 12,3 Vol% 15 Bestimmung von CO 2 max v r min = (1,867 * 0, ,7 * 0, ,8 * 0, ,79 * 8,397) m 3 /kg Brst = (1, , ,634) m 3 /kg Brst = 8,227 m 3 /kg Brst c CO 2 = (1,576 / 8,227) = 0,1916 = 0,192 entsprechend einem maximalen Gehalt an CO 2 im Rauchgas von 19,2 Vol% Hämeel Flue gas 29

30 16 Bestimmung des Massenstromes von Schwefeldioxid m SO 2 = 2 * c S * B = 2 * 9,031 * 10-3 kg/kg * 0,1552 * 10 3 kg/h = 2,749 * kg/h 17 Bestimmung der maximalen Konzentration von Schwefeldioxid c SO 2 = 2,749 * 10 3 g/h / 1,985 * 10 3 m 3 /h = 1,385 g/m 3 = 1,39 g/m 3 Komponente Gemessene Werte aus Kohleanalyse SO 2 Konzentration c 1,13 g/m 3 1,39 g/m 3 Massenstrom Q 2,36 kg/h 2,75 kg/h CO 2 Volumenanteil 11,8 % Vol. 12,3 % Vol. O 2 Volumenanteil 7,4 % Vol. 7,4 % Vol. Hämeel Flue gas 30

31 Dat en für Ver bren nun gsre chn ung für troc ken e, gas förm ige Bre nns toffe Luf t troc ken, Vol. -ant eil N2 0,790 O2 0,210 H2 O feuc ht, Vol. -ant eil 0,774 0,206 0,020 O m in in m 3 /m 3 O m in = 0,5* [CO] + 0,5* [H 2 ] + (m + n/4 )*[C m H n ] - [O 2 ] [A] Volu men ante il des Bes tand teile s A l m in l m in = O m in / [O 2 ] für "=" 4,76 * O m in Wa sse rge halt, kg/m 3 1 "=" 1,243 m 3 /m 3 bei 20 O C und 80 % rel. Feu chte in g/m 3 16 "=" 0,020 m 3 /m 3 Ver bren nun gsre chn ung für troc ken e, gas förm ige Bre nns toffe, Beis piel Zus amm ens etzu ng des CO H 2 CH 4 C 2 H 4 C 2 H 6 C 3 H 6 C 3 H 8 CO 2 N 2 Bre nns toff es 0,8 40 0,0 15 0,0 05 0,0 20 0,1 20 Luft bed arf spe z. O 2 -Be dar f, m 3 /m 3 0,5 0,5 2,0 3,0 3,5 4,5 5,0 0,0 0,0 O 2 -be dar f, m 3 /m 3 1,6 80 0,0 45 0,0 18 N 2 mit gef örd ert, m 3 /m 3 6,3 20 0,1 69 0,0 66 H 2 O mit gef örd., m 3 /m 3 0,1 59 0,0 04 0,0 02 Lam bda = 1,0 1,1 Sum me O 2, m 3 /m 3 1,7 43 1,9 17 Sum me N 2, m 3 /m 3 6,5 55 7,2 11 Sum me H 2 O, m 3 /m 3 0,1 65 0,1 82 L m in, m 3 /m 3 8,2 98 L m in f, m 3 /m 3 8,4 63 L e, m 3 /m 3 9,1 27 Abg ass trom spe zifis ch CO 2, m 3 /m 3 1,0 0,0 1,0 2,0 2,0 3,0 3,0 1,0 0,0 spe zifis ch H 2 O, m 3 /m 3 0,0 1,0 2,0 2,0 3,0 3,0 4,0 0,0 0,0 ent sta nd. CO 2, m 3 /m 3 0,8 40 0,0 30 0,0 10 0,0 20 mitg efö rde rt N 2, m 3 /m 3 6,3 20 0,1 69 0,0 66 0,1 20 ent sta nd. H 2 O, m 3 /m 3 1,6 80 0,0 30 0,0 15 Lam bda = 1,0 1,1 Sum me CO 2, m 3 /m 3 0,9 00 0,9 00 Sum me N 2, m 3 /m 3 6,6 75 7,3 31 Sum me H 2 O, m 3 /m 3 1,8 90 1,9 07 Sum me O 2, m 3 /m 3 0,1 74 v m in, m 3 /m 3 7,5 75 v m in f, m 3 /m 3 9,4 65 v, m 3 /m 3 8,4 05 v f, m 3 /m 3 10, 31 CO 2 m ax, Vo l% 11, 9 Hämeel Flue gas 31

32 Dat en für Ver bren nun gsre chn ung für troc ken e, gas förm ige Bre nns toffe Luf t troc ken, Vol. -ant eil N2 0,790 O2 0,210 H2 O feuc ht, Vol. -ant eil 0,774 0,206 0,020 O m in in m 3 /m 3 O m in = 0,5* [CO] + 0,5* [H 2 ] + (m + n/4 )*[C m H n ] - [O 2 ] [A] Volu men ante il des Bes tand teile s A l m in l m in = O m in / [O 2 ] für "=" 4,76 * O m in Wa sse rge halt, kg/m 3 1 "=" 1,243 m 3 /m 3 Luft bei 20 O C und 80 % rel. Feu chte in g/m 3 16 "=" 0,020 m 3 /m 3 Ver bren nun gsre chn ung für troc ken e, gas förm ige Bre nns toffe, Heiz wer k Häm eeli nna Zus amm ens etzu ng des Bre nns toff es Luft bed arf spe z. O 2 -Be dar f, m 3 /m 3 O 2 -be dar f, m 3 /m 3 N 2 mit gef örd ert, m 3 /m 3 H 2 O mit gef örd., m 3 /m 3 Lam bda = Sum me O 2, m 3 /m 3 Sum me N 2, m 3 /m 3 Sum me H 2 O, m 3 /m 3 L m in, m 3 /m 3 L m in f, m 3 /m 3 L e, m 3 /m 3 CO H 2 CH 4 C 2 H 4 C 2 H 6 C 3 H 6 C 3 H 8 CO 2 0,985 0,005 0,5 0,5 2,0 1,970 3,0 3,5 0,018 7,411 0,187 0,066 0,002 1,0 1,1 1,988 2,186 7,477 8,224 0,188 0,207 9,464 9,653 10, 41 4,5 5,0 0,0 N 2 0,010 0,0 Abg ass trom spe zifis ch CO 2, m 3 /m 3 1,0 0,0 1,0 2,0 2,0 3,0 3,0 1,0 0,0 spe zifis ch H 2 O, m 3 /m 3 0,0 1,0 2,0 2,0 3,0 3,0 4,0 0,0 0,0 ent sta nd. CO 2, m 3 /m 3 0,9 85 0,0 10 mitg efö rde rt N 2, m 3 /m 3 6,3 20 0,1 69 0,0 66 0,0 10 ent sta nd. H 2 O, m 3 /m 3 1,9 70 0,0 15 Lam bda = 1,0 1,1 Hei zwe rt des eing ese tzte n Gas es: Wa sse rgeh alt Sum me CO 2, m 3 /m 3 0,9 95 0,9 95 CH 4 MJ /m 3 35, 88 g/ m 3 0,2 3 0,2 1 Sum me N 2, m 3 /m 3 Sum me H 2 O, m 3 /m 3 6,565 2,173 7,221 2,192 C 2 H 6 Bre nns toff MJ /m 3 MJ /m 3 64, 36 35, 66 Abg aste mpe ratu r o C 14 0 Sum me O 2, m 3 /m 3 v m in, m 3 /m 3 v m in f, m 3 /m 3 v, m 3 /m 3 7,560 9,733 0,199 8,414 Feu erun gsw ärm elei st. Gas eins atz M W 1,2 0 M W M W 1,0 0 0,8 0 m 3 /h 121,1 m 3 /h m 3 /h 100,9 80, 8 Abg asv ol. 1,0 ; Nor m 1,1 ; Bet rieb m 3 /h * ,92 1,94 m 3 /h * ,76 m 3 /h * ,61 1,6 2 1,3 0 v f, m 3 /m 3 CO 2 m ax, Vo l% 13, 2 10, 61 11, 8 M W M W 0,6 0 0,4 0 m 3 /h m 3 /h 60, 6 40, 4 m 3 /h * ,46 m 3 /h * ,31 0,9 7 0,6 5 Hämeel Flue gas 32

33 Praktikum II: Ableitung von Abgasen gemäß 5.5 TA Luft: Abgase sind nach so abzuleiten, daß ein ungestörter Abtransport mit der freien Luftströmung ermöglicht wird. In der Regel ist eine Ableitung über Schornsteine erforderlich. Dieser soll den Anforderungen nach bis TA Luft entsprechen: Mindestanforderungen nach Absätze 1 und 5 Absatz 1 - Der Schornstein soll mindestens eine Höhe von 10m über der Flur und eine den Dachfirst um 3 m überragende Höhe haben. - Der Schornstein soll das Zweifache der Gebäudehöhe sowie im allgemeinen eine Höhe von 250 m nicht übersteigen. Bei einer Höhe >200m sollen weitergehende Maßnahmen zur Emissionsbegrenzung angestrebt werden. - Bei einer Dachneigung < 20 ist die Dachfirsthöhe unter Zugrundelegung einer Neigung von 20 zu bestimmen. Absatz 5; VDI-Richtlinie 2280 Bl.4 (Ausgabe 1977) - Austritt lotrecht - Austrittsgeschwindigkeit der Abgase &7 m/s - 2 m über First eines Giebeldaches - 5 m über Flach- und Sheddächern - 5 m über Firsthöhe der Wohngebäude in 50m Umkreis auch hier gilt: mindestens 10m über dem Erdboden Anwendungsbereich: Alle Emissionsquellen mit Ausnahme von: - Anlagen mit geringen Emissionsmassenströmen 1) (außer Feuerungsanlagen) - Anlagen, bei denen nur wenige Stunden im Jahr aus Sicherheitsgründen Abgase abgeleitet werden. 1) siehe dazu der TA Luft Hämeel Flue gas 33

34 2.4.3.Bestimmung der erforderlichen Schornsteinhöhe mit Hilfe des Nomogramms Abb. 1: Nomogramm zur Ermittlung der Schornsteinhöhe H' nach TA luft Hämeel Flue gas 34

35 Die Schornsteinhöhe ist nach der Abb.1 zu bestimmen. Es bedeuten: H' in m d in m t in C Schornsteinhöhe, anhand des Nomogrammes ermittelt Schornsteininnendurchmesser oder äquivalenter Innendurchmesser für die benötigte Querschnittsfläche Abgastemperatur an der Schornsteinmündung R i n m 3 /h Abgasvolumenstrom im Normzustand nach Abzug des Feuchtegehaltes an Wasserdampf Q in kg/h Emmissionsmassenstrom des emittierten luftverunreinigenden Stoffes aus der Emissionsquelle S Faktor für die Schornsteinhöhenbestimmung gemäß Anhang 7; zur Berücksichtigung der unterschiedlichen Wirkung der Einzelkomponeneten Es sind jeweils die Werte für t, R und Q einzusetzen, die sich beim bestimmungsgemäßen Betrieb unter den für die Luftreinhaltung ungünstigsten Betriebsbedingungen ergeben. Beispiel 1: gegeben: d = 2 m t = 100 C R = 100*10 3 m 3 /h Q = 2,0 kg/h organischer Stoff der Klasse I (siehe TA Luft Anhang 4) gesucht: H' =? Lösung: - Für organische Stoffe der Klasse I bei einem Massenstrom & 0,1 kg/h gilt nach der Emissionswert : --> EW = 20 mg/m 3 und nach Anhang 7 --> S = 0,05 - Berechnung des Massenstromens unter Berücksichtigung der Umweltschädlichkeit Q/S = 2,0 kg/h / 0,05 Q/S = 40 kg/h Hämeel Flue gas 35

36 Graphische Ermittlung mit Nomogramm: Im Quadranten I: Schnittpunkt zwischen dem Innendurchmesser d (2m) und dem Kurvenverlauf der Abgastemperatur (100 C) ermitteln (ggf. interpolieren). -->Vertikal nach oben in den Quadranten II: Schnittpunkt mit dem Abgasvolumenstrom R (hier 1*10 5 m 3 /h) festlegen -->Horizontal in den Quadranten III: Schnittpunkt mit der dazugehörigen Kurve des Quotienten Q/S (hier 4,0 * 10 1 kg/h) festlegen, -->Vertikal auf die Abzisse des III. Quadranten gehen und H' in m ablesen. Ergebnis: kein Schnittpunkt mit Q/S; Schornsteinhöhe nach Mindestbedingungen aus Beispiel 2: gegeben: Anlagenparameter wie Bsp.1, Emission bleihaltiger Stäube gesucht: H' =? Lösung: - Nach besteht für Blei (staubförmiger anorganischer Stoff der Klasse II) bei einem Massenstrom >2,5g/h eine Emissionsbegrenzung auf 0,5 mg/m 3. Achtung: Beim Vorhandensein von Stoffen mehrerer Klassen darf nach die Massenkonzentration im Abgas von insgesamt 5 mg/m 3 nicht überschritten werden. - Berechnung des zulässigen Emissionsmassenstroms: Q = 100 * 10 3 m 3 /h * 0,5 * 10-6 kg/m 3 Q = 0,050 kg/h - Berechnung des Emissionsmassenstroms unter Berücksichtigung der Schädlichkeit des Stoffes: S = 0,0025 Q/S = 0,050 kg/h / 0,0025 Q/S = 2,0 * 10 1 kg/h Ergebnis: kein Schnittpunkt mit Q/S; Schornsteinhöhe nach Mindestbedingungen aus Hämeel Flue gas 36

37 Beispiel 3: gegeben: Braunkohlefeuerung R = 250 * 10 3 m 3 /h t = 200 C gesucht: H' =? Lösung: c = 20 mg/m 3 (Gesamtstaub; Blei und Cadmium enthalten) c = 1,0 g/m 3 (Schwefeldioxid) -Emissionen im Sinne der TA Luft sind nach 2.5 bezogen auf das trockene Volumen im Normzustand anzugeben. Für die rmittlung des notwendigen Querschnittes dedr Schornsteinmündung muß der Abgasvolumenstroms R von Normzustand (0 C, 1013 mbar) auf den Betriebszustand R b ( 200 C, 1013 mbar) umgerechnet werden ; zur Vereinfachung ohne Berücksichtigung der Feuchte Für Gase unter isobaren Bedingungen gilt: p 0 * V 0 /T 0 = p b * V b /T b <--> R b = R * T b /T 0 R b = 250 * 10 3 * 473,2 / 273,2 * m 3 /h R b = 433 * 10 3 m 3 /h R b = 433 / 3,6 m 3 /s R b = 120,3 m 3 /s - nach der VDI-Richtlinie 2280 Abschnitt 3 (Ausgabe August 1977) zur Auswurfbegrenzung von organischen Verbindungen soll bei der Ableitung der Abgase eine Mindestaustrittsgeschwindigkeit der Abgase von 7 m/s senkrecht nach oben nicht unterschritten werden. Da Kohlefeuerungen i.d.r. über einen Lastbereich gefahren werden können, wird zur Einhaltung der Mindestgeschwindigkeit bei halbem Rauchgasvolumenstrom eine Abgasgeschwindigkeit bei Vollast von 16 m/s angesetzt. Hämeel Flue gas 37

38 - Bestimmung des erforderlichen Schornsteinquerschnittes A = 120,3 / 16 m 2 A = 7,519 m 2 A = ' * d 2 / 4 d = $ 7,519 * 4 / ' m d = $ 9,573 m d = 3,1 m; zu bauen 3,0 m Mit den rechnerisch ermittelten Werten für den Volumenstrom R b und d kann nun die Schornsteinhöhe H für die einzelnen Abgaskomponenten graphisch ermittelt werden. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 aufgeführt. Tab.1: Bestimmung der Schornsteinhöhen H für die einzelnen Rauchgaskomponenten Gaskomponente c [mg/kg] Q [kg/h] S Q/S [kg/h] H [m] Gesamtstaub 20 SO , ,08 0,14 6,3 * ,8 * Pb Cd 0,5 0,05 0,125 0,0125 0, ,0 * ,6 * Ergebnis: Die Schornsteinhöhe nach Nomogramm, H', beträgt 50 m. Anmerkung: Die ermittelte Schornsteinhöhe H entspricht nur selten der tatsächlichen Bauhöhe. Fast immer ist H unter Berücksichtigung der Bebauung, des Bewuchses und des Geländeprofiles nach oben zu korrigieren (s.a. TA Luft 5.5.4). Hämeel Flue gas 38