Gasbeschaffenheit. Siegfried Bajohr. Engler-Bunte-Institut Bereich Gas, Erdöl, Kohle

Transkript

1 Gasbeschaffenheit Siegfried Bajohr 1

2 Inhalt Brenntechnische Kenndaten Brennwert H S und Heizwert H i Wobbe-Index W Anwendungsdaten Abgasvolumen Sicherheitskennwerte Zündgrenze Z 2

3 Brenntechnische Kenndaten Durchschnittszusammensetzungen des in Deutschland verteilten Erdgases 3

4 Brenntechnische Kenndaten Def.: Brennwert oder Heizwert wird die Energie genannt, die bei der vollständigen Verbrennung einer bestimmten Menge, z. B. 1 m 3 oder 1 kg eines Brennstoffs umgesetzt wird, bezogen auf diese Menge. Wird das bei der Verbrennung gebildete Wasser kondensiert, so wird die Energie Brennwert genannt. Bleibt das Wasser als Wasserdampf im Abgas, so wird die Energie Heizwert genannt. Randbedingungen: p = const., Verbrennung mit trockener Luft bei 25 C, T Abgas = 0 C Beispiele des Brennwertes verschiedener Brennstoffe Brennwert H s in MJ/m 3 in kwh/m 3 in kwh/kg Wasserstoff (H 2 ) 12,8 3,6 39,4 Methan (CH 4 ) 39,8 11,1 15,4 Öl ,7 Holz (tr.) Kohle ,6 8,3 4

5 Brenntechnische Kenndaten Berechnung Brennwert H s und Heizwert H i CH O N 2 CO H 2 O (l) + 8 N 2 Β H i in kj/mol: (-74,81) + 2. (0) + 8. (0) = (-393,5) + 2. (-285,8) + 8. (0) kj RH Hi = 890,3 = H mol = BHi B i= Produkte i= Edukte S CH O N 2 CO H 2 O (g) + 8 N 2 Β H i in kj/mol: (-74,81) + 2. (0) + 8. (0) = (-393,5) + 2. (-241,8) + 8. (0) R H kj = Hi = 802,3 Verdampfungsenthalpie mol des Wassers H s H i = 88 kj/mol = 2. vap H H2O 5

6 Inhalt Brenntechnische Kenndaten Brennwert H S und Heizwert H i Wobbe-Index W Anwendungsdaten Abgasvolumen Sicherheitskennwerte Zündgrenze Z 6

7 Brenntechnische Kenndaten Wobbe-Index W S und W i 7

8 Brenntechnische Kenndaten Wobbe-Index W S und W i Def.: Der Wobbeindex ist ein Maß für die Energielieferung eines Brenners oder einer Leitung; er ist eine wesentliche Größe zur Beurteilung der Austauschbarkeit eines Brenngases. Formel: Hs Ws = d mit : H s = Brennwert d = relative Dichte = ρ ρ Gas Luft Folge: Haben verschieden zusammengesetzte Gase den selben Wert von W, dann kann mit einem Brenner bei gleichem Druck auch der gleiche Energiestrom umgesetzt werden. Dies gilt auch für den in einer Gasleitung transportierten Energiestrom. 8

9 Brenntechnische Kenndaten Herleitung Wobbe-Index (I): Energiestrom E & eines Gases, das durch eine Leitung/einen Brenner strömt: E & = V & H S Der transportierte (Gas-)Volumenstrom wird durch die Strömungsgeschwindigkeit w und die Querschnittsfläche A bestimmt: V& = A w Die Strömungsgeschwindigkeit w ist proportional zum Druckverlust p in der Leitung/der Brennerdüse: ρ p = mit l = Länge des Rohrs d = Durchmesser ρ ξ Gas = Gas w 2 2 ξ l d des Rohrs = Dichte des Gases Widerstandsbeiwert 9

10 Brenntechnische Kenndaten Herleitung Wobbe-Index (II): Berechnung der Strömungsgeschwindigkeit w mit den eingeführten Größen: w = 2 p d ξ l 1 ρ Gas Daraus Berechnung des Volumenstroms: V& = A 2 p d ξ l 1 ρ Gas V& = K 1 ρ Gas Und des Energiestroms: E& = H s K 1 ρ Gas 10

11 Brenntechnische Kenndaten Herleitung Wobbe-Index (III): Die Energieströme zweier unterschiedlicher Gase: E& 1 1 = Hs,1 K u. E& ρ Gas,1 2 = H s,2 K ρ 1 Gas,2 Sind dann gleich, wenn: H s,1 ρ 1 Gas,1 = H s,2 ρ 1 Gas,2 Oder durch Multiplikation mit ρ Luft und Bezug auf den Normzustand: H H W = d d s,1 s,2 s,1 = = Ws,

12 Vorgaben des G 260 für brenntechnische Kenndaten 16 W s,n : 10,5 15,7 kwh/m 3 Brennwert Hs,n in kwh/m Methan KA H s,n : 8,4 13,1 kwh/m 3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 Relative Dichte d d: 0,55-0,75 12

13 Inhalt Brenntechnische Kenndaten Brennwert H S und Heizwert H i Wobbe-Index W Anwendungsdaten Abgasvolumen Sicherheitskennwerte Zündgrenze Z 13

14 Anwendungsdaten Abgasvolumen 14

15 Brenntechnische Kenndaten Exkurs: Zusammensetzung trockener Luft nach ISO 6976; gerundete Werte Komponente Stickstoff Sauerstoff Argon Kohlenstoffdioxid Neon Helium Methan Krypton Wasserstoff Distickstoffoxid Kohlenstoffmonoxid Xenon Symbol N 2 O 2 Ar CO 2 Ne He CH 4 Kr H 2 N 2 O CO Xe Stoffmengenanteil x i in mol-% 78,12 20,95 0,92 0,033 0,002 0,0005 0,0002 0,0001 0, , , ,

16 Brenntechnische Kenndaten Exkurs: Kohlenstoffdioxidgehalt in der Atmosphäre Quelle:

17 Brenntechnische Kenndaten Exkurs: Kohlenstoffdioxidgehalt in der Atmosphäre historische Entwicklung Quelle:

18 Brenntechnische Kenndaten Zusammensetzung der Luft (Näherung) Komponente i y i in Vol.-% (tr.) N 2 78 O 2 21 Ar 1 CO 2 0,035 Gebrauchsformel : tr. Luft = 80 % N % O 2 Was ist mit der Luftfeuchtigkeit??? 18

19 Brenntechnische Kenndaten Dampfdruckkurve von Wasser 200 Literaturwerte p H2O y H2O,max = = pu p p D U Dampfdruck p D in mbar Approximation Exponentiell (Approximation) y H2O, max = = 0, mbar 1013 mbar = 2,4 Vol. % 24 mbar bei 20 C Relative Luftfeuchte: Temperatur T in C 19 ϕ = y H2O,ist /y H2O,max typische Werte: ϕ = 60 % => y H2O,ist = 1,4 Vol.-% ( 10 g H 2 O pro m 3 Luft)

20 Brenntechnische Kenndaten Abgasvolumen Angenommene Erdgaszusammensetzung: Komponente i y i in Vol.-% CH 4 87 C 2 H 6 C 3 H 8 8 CO N 2 2 Reaktionen: CH O N 2 => CO H 2 O + 8 N 2 C 2 H 6 + 7/2 O N 2 => 2 CO H 2 O + 14 N 2 C 3 H O N 2 => 3 CO H 2 O + 20 N 2 m m C nhm + n + O ( 4 n + m) N2 n CO2 + H2O + ( 4 n m) N2 Stoffmenge Abgas (bei vollständigem Umsatz des O 2 ): V Abgas = + + ( ych4 + 2 yc2h6 + 3 yc3h8 + yco2 ) ( 2 ych4 + 3 yc2h6 + 4 yc3h8 ) ( 8 y + 14 y + 20 y + y ) CH4 C2H6 C3H8 N2 V Erdgas Beispiel: 1 m n 3 Erdgas 11 m n 3 Abgas 20

21 Inhalt Brenntechnische Kenndaten Brennwert H S und Heizwert H i Wobbe-Index W Anwendungsdaten Abgasvolumen Sicherheitskennwerte Zündgrenze Z 21

22 Sicherheitskennwerte Zündgrenzen 22

23 Sicherheitskennwerte Begriffe: Explosion, Deflagration, Detonation Explosion: Oberbegriff für kurzzeitige exotherme Reaktion in explosionsfähigen Gas-/Dampf- Gemischen und/oder in explosionsfähigen Atmosphären und/oder in explosionsgefährlichen Stoffen, die häufig mit einem Knall verbunden einhergeht und die zur Ausbildung eines, mit starken mechanischen Auswirkungen verbundenen, auf Grund des plötzlichen Bestrebens von Stoffen zur Volumenvergrößerung einhergehenden, Druckstoßes in der Umgebung führt. Deflagration: Die Explosion breitet sich in dem/den Ausgangsstoffe(n) unterhalb der Schallgeschwindigkeit aus und ist mit einer deutlichen Trennung von Drucksprung und Reaktionszone (Flammenfront) verbunden. Detonation: Chemische Umsetzung, die sich innerhalb des Ausgangsstoffes oder der Ausgangsstoffe mit Überschallgeschwindigkeit ausbreitet und deren Reaktionsfront an eine Stoßwelle gekoppelt ist, in der so große Temperatur- und Drucksprünge auftreten, dass andere gasförmige, reaktionsfähige Materie dadurch entzündet wird. 23

24 Sicherheitskennwerte Explosionsgrenze = Zündgrenze Beispiele für Ex-Grenzen verschiedener Brennstoffe im Gemisch mit Luft Substanz Wasserstoff H 2 4,0 77,0 Ammoniak NH 3 15,0 27,0 Schwefelwasserstoff H 2 S 4,3 45,5 Methan CH 4 4,4 16,5 Propan C 3 H 8 1,7 10,9 n-hexan C 6 H 14 1,0 8,1 Cyclohexan C 6 H 12 1,2 8,3 Acetylen C 2 H 2 2,3 78,0 Benzol C 6 H 6 1,2 8,0 Methylchlorid CH 3 Cl Mischerdgas H (KA) unter Ex-Grenze Zu oder c Zu in Vol.-% 7,1 4,1 obere Ex-Grenze Zo oder c Zo in Vol.-% 18,5 16,0 Mehrkomponentengemische => Le Chatelier Zu Mischung = c Zu,Mischung = 100 yi c i= 1 Zu, i 24

25 Sicherheitskennwerte Beispielrechnung zu Zündgrenzen Angenommenes Erdgas: Komponente i y i in Vol.-% c Zu,i in Vol.-%, CH ,4 C 2 H 6 8 2,7 C 3 H 8 1 1,7 CO N Zu Mischung 100 = = 4,29 Vol. % ,4 2,7 1,7 25

26 Sicherheitskennwerte Temperatur- und Atmosphäreneinfluss auf die Zündgrenzen 20 Methankonzentration cch4 in Vol.-% Z o,ch4 Z u,ch Gastemperatur T Gas in C c O2 < 12,5 Vol.-% => keine CH 4 -Zündung möglich! Quelle: Vorlesungsskript Feuerungstechnik I Prof. Bockhorn 26

27 Inhalt Brenntechnische Kenndaten Brennwert H S und Heizwert H i Wobbe-Index W Anwendungsdaten Abgasvolumen Sicherheitskennwerte Zündgrenze Z 27

28 Inhalt Brenntechnische Kenndaten Brennwert H S und Heizwert H i Wobbe-Index W Methanzahl MZ Anwendungsdaten Abgasvolumen Sicherheitskennwerte Zündgrenze Z 28

29 Anwendungsdaten Methanzahl 29

30 Brenntechnische Kenndaten Methanzahl MZ Motivation: Für eine effiziente (gas-)motorische Verbrennung ist eine möglichst hohe Klopffestigkeit Voraussetzung. Definition: Die MZ wird definiert über den Vergleich zu einem binären Vergleichsgas aus klopffestem Methan (MZ = 100) und klopffreudigem Wasserstoff (MZ = 0). Der Volumenanteil an Methan in einer gleich klopffreudigen Mischung gibt dabei den Wert der MZ an. Beispiel: Mischerdgas H (Karlsruhe); MZ = 80 Klopfverhalten entspricht einer Mischung aus 80 Vol.-% CH 4 und 20 Vol.-% H 2 30

31 Brenntechnische Kenndaten Bestimmung der Methanzahl MZ Durch den experimentellen Vergleich mit definierten Methan/Wasserstoff-Mischungen in einem Prüfmotor. Rechnerisch aus einer detaillierten Gaszusammensetzung ( AVL- Methode ). Rechnerisch unter Anwendung verschiedener Korrelationen zwischen Brennwert/Dichte/CO 2 -Gehalt. Messtechnisch durch IR-Absorptionsmessung der Kohlenwasserstoffe bis C 4 H 10 und entsprechende Korrelationen ( Methanzahl-Controller ). 31

32 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Siegfried Bajohr Bereich Gas, Erdöl und Kohle Engler-Bunte-Ring Karlsruhe Tel.: 0721/ siegfried.bajohr@kit.edu 32